Des chercheurs publient le connectome du cordon nerveux de la mouche des fruits le plus détaillé

Résumé:Les chercheurs ont dévoilé le connectome le plus complet du cordon nerveux de la mouche des fruits adulte, analogue à la moelle épinière humaine, fournissant une ressource exceptionnelle à la communauté scientifique.

Le connectome, construit à partir d'environ 23 000 neurones, révèle le réseau complexe contrôlant les fonctions motrices de la mouche. De nouvelles informations ont déjà émergé des données, remettant en question les théories précédentes sur le mouvement des mouches.

Cette réalisation fait non seulement progresser la compréhension de la neurologie des mouches des fruits, mais sert également de modèle pour de futurs projets similaires.

Faits marquants:

Source:Campus de recherche Janelia

Déjà cette année, des chercheurs ont publié un schéma de câblage du cerveau larvaire de la mouche des fruits. Les connectomes du cerveau complet de la mouche femelle adulte et du lobe optique sont attendus en 2023, suivis bientôt du connectome complet du système nerveux de la mouche mâle.

Le 6 juin, les scientifiques et collaborateurs de Janelia aux États-Unis et au Royaume-Uni ont ajouté une autre pièce au puzzle du connectome avec le dévoilement du schéma de câblage du cordon nerveux adulte masculin, surnommé le MANC.

Le connectome, un effort conjoint de l'équipe du projet FlyEM de Janelia et de ses collaborateurs, est détaillé dans les prépublications sur bioRxiv et est disponible gratuitement pour les chercheurs du monde entier via les sites Web de Janelia.

Avec environ 23 000 neurones, 10 millions de sites pré-synaptiques et 74 millions de densités post-synaptiques, le MANC est le connectome le plus approfondi et le plus complet d'un cordon nerveux de mouche des fruits adultes - une structure analogue à la moelle épinière humaine qui contrôle la plupart des fonctions motrices de la mouche.

Les détails sans précédent de cette carte des neurones et de leurs connexions aideront les scientifiques à comprendre comment une mouche bouge ses pattes ou bat des ailes.

Si les 23 000 neurones composant le connectome MANC étaient mis bout à bout, ils s'étireraient sur environ 44 mètres.

Les préimpressions publiées parallèlement aux données du connectome décrivent les différents types de cellules, leurs origines et leurs connexions, ainsi que les informations biologiques qui commencent à émerger des données. La mouche des fruits est un organisme clé que les neuroscientifiques utilisent pour sonder le fonctionnement du système nerveux. Il est donc essentiel d'avoir des connectomes pour découvrir comment les cellules fonctionnent ensemble pour permettre le comportement.

"Une fois que vous pouvez voir tout un réseau, vous pouvez commencer à poser de grandes questions d'organisation", explique Gwyneth Card, chercheuse HHMI à l'Institut Zuckerman de l'Université de Columbia et ancienne chef de groupe Janelia, qui a aidé à diriger le projet.

Le MANC et les autres connectomes en cours de publication suivent les traces du connectome de l'hémi-cerveau publié par les scientifiques de Janelia en 2020. À l'époque, l'hémi-cerveau - une partie du cerveau de la mouche adulte - était le schéma de câblage le plus grand et le plus complet jamais réalisé, montrant qu'un exploit que beaucoup pensaient impossible pouvait être accompli.

La libération de l'hémi-cerveau a conduit à un soutien et à un intérêt supplémentaires pour les efforts de connectome. Les chercheurs comblent maintenant les pièces manquantes de l'hémi-cerveau, et l'objectif de cartographier l'ensemble du système nerveux central d'une mouche des fruits adulte mâle et femelle est à portée de main.

"Ce train va continuer à rouler", dit Card. "Vous ne voyez que le début."

Le connectome MANC a été construit à l'aide de méthodes similaires à celles utilisées pour cartographier l'hémicerveau, l'équipe de Janelia préparant l'échantillon de cordon nerveux et l'imagerie couche après couche de tranches d'un nanomètre d'épaisseur sur des microscopes électroniques à balayage à faisceau ionique focalisé. Les algorithmes et les ordinateurs de Google ont assemblé les images et effectué une première tentative d'identification des neurones.

Ensuite, une équipe de Janelians et de collaborateurs s'est mise à relire les données - un effort manuel pour s'assurer que la forme et la connectivité des neurones sont correctes, et l'une des parties les plus chronophages du processus. En raison de la pandémie de COVID-19, l'équipe a développé un logiciel pour travailler sur des ordinateurs personnels. Cela, combiné au financement supplémentaire du Wellcome Trust, signifiait que les collaborateurs internationaux pouvaient plus facilement contribuer à l'effort.

"Puisqu'il a été entièrement relu et que nous pouvons trouver tous les mêmes neurones à gauche et à droite de la mouche, nous pouvons dire à nos collègues :" Vous pouvez faire confiance à cela "", déclare Greg Jefferis, neuroscientifique au Laboratoire de biologie moléculaire et à l'Université du MRC. de Cambridge et un autre chef de projet qui fait partie du comité directeur de l'équipe du projet FlyEM.

Les chercheurs de Cambridge ont également identifié les différents types de cellules, où elles se trouvent le long du corps de la mouche et de quelles cellules souches elles proviennent, aidant à démêler certains des principes d'organisation.

"Le cordon nerveux ventral a été essentiellement considéré comme une boîte noire", explique Lisa Marin, chercheuse associée à l'Université de Cambridge qui a dirigé l'effort de typage cellulaire.

"Une grande majorité des neurones n'ont jamais été identifiés. Une grande partie de notre processus consistait donc à les diviser en populations plus petites, puis à creuser dans la connectivité."

L'examen des données du connectome a déjà commencé à révéler quelques surprises. Card et son équipe ont découvert que certains comportements impliquant les mêmes muscles utilisent des microcircuits pré-moteurs distincts, et non les mêmes circuits, comme on le pensait auparavant.

Jefferis et son équipe ont décrit les circuits répétés complexes qui contrôlent les jambes et ont découvert, de manière surprenante, que les interconnexions coordonnant les jambes diffèrent des modèles existants.

De nombreuses autres informations du MANC se produiront au fur et à mesure que d'autres chercheurs commenceront à sonder les données, accessibles via neuPrint et Clio, des outils en ligne développés à Janelia.

"Il est clair que ces connectomes sont si riches et qu'ils ne sont vraiment que le point de départ pour essayer de comprendre comment fonctionne ce système", déclare Card. "Il faudra que toute la communauté creuse pour comprendre l'étendue des différents comportements que les gens étudient dans différents contextes, pour sonder ce réseau. C'est ainsi que nous allons démêler les principes supérieurs."

Outre les connaissances scientifiques à acquérir, le projet sert également de modèle pour d'autres groupes qui entreprennent des efforts sur le connectome.

"Ce type de coopération sera absolument nécessaire lorsque les gens commenceront à passer au connectome de la souris et à des choses comme ça", déclare Lou Scheffer, scientifique principal chez Janelia et membre de l'équipe FlyEM.

"Il n'y a aucun moyen concevable qu'une seule organisation puisse le faire, et c'est donc un prototype pour ce type de coopération."

Jeux de données : https://www.janelia.org/project-team/flyem/manc-connectome

Auteur:Carte GwynethSource:Campus de recherche JaneliaContact:Carte Gwyneth - Campus de recherche JaneliaImage: L'image du haut est créditée à Neuroscience News. L'image de l'article est créditée à FlyEM/Janelia Research Campus

Recherche originale : Accès fermé. "A Connectome of the Male Drosophila Ventral Nerve Cord" par Shin-ya Takemura et al. bioRXiv

Accès fermé. "L'annotation systématique d'un connectome complet du cordon nerveux de la drosophile mâle adulte révèle les principes d'organisation fonctionnelle" par Elizabeth C. Marin et al. bioRXiv

Abstrait

Un connectome du cordon nerveux ventral de la drosophile mâle

Le comportement animal s'exprime principalement par le contrôle neuronal des muscles. Par conséquent, comprendre comment le cerveau contrôle le comportement nécessite de cartographier les circuits neuronaux jusqu'aux motoneurones.

Nous avons déjà établi une technologie pour collecter des ensembles de données de microscopie électronique à grand volume de tissu neural et reconstruire entièrement la morphologie des neurones et leurs connexions synaptiques chimiques dans tout le volume. À l'aide de ces outils, nous avons généré un schéma de câblage dense, ou connectome, pour une grande partie du cerveau central de la drosophile.

Cependant, chez la plupart des animaux, y compris la mouche, la majorité des motoneurones sont situés à l'extérieur du cerveau dans un centre neural plus proche du corps, à savoir la moelle épinière de mammifère ou le cordon nerveux ventral d'insecte (VNC).

Dans cet article, nous étendons nos efforts pour cartographier des circuits neuronaux complets pour le comportement en générant un connectome du VNC d'une mouche mâle.

Abstrait

L'annotation systématique d'un connectome complet du cordon nerveux de la drosophile mâle adulte révèle les principes de l'organisation fonctionnelle

Notre article complémentaire (Takemura et al., 2023) présente le premier connectome entièrement relu du cordon nerveux d'un animal qui peut marcher ou voler. Le connectome de base est constitué de morphologies neuronales et des connexions entre elles.

Cependant, afin de naviguer et de comprendre efficacement ce connectome, il est crucial de disposer d'un système d'annotations qui catégorise et nomme systématiquement les neurones, en les reliant à la littérature existante.

Dans cet article, nous décrivons l'annotation complète du connectome VNC, d'abord par un système d'annotations grossières hiérarchiques, puis en regroupant les neurones gauche-droit et homologues en série et finalement en définissant des types de cellules systématiques pour les interneurones intrinsèques et les neurones sensoriels du VNC ; les motoneurones descendants et moteurs sont typés (Cheong et al., 2023).

Nous attribuons une modalité sensorielle à plus de 5000 neurones sensoriels, les regroupons par connectivité et identifions des types de cellules homologues en série et une organisation en couches correspondant probablement à la topographie périphérique. Nous identifions le neuroblaste développemental d'origine de la grande majorité des neurones VNC et confirmons que (dans la plupart des cas) tous les neurones secondaires de chaque hémilignée expriment un seul neurotransmetteur.

Les hémilignages de neuroblastes sont répétés en série le long des segments du cordon nerveux et présentent généralement une connectivité hémilignage à hémilignage cohérente à travers les neuromères, soutenant l'idée que les hémilignages sont une caractéristique organisationnelle majeure du VNC.

Nous constatons également que plus d'un tiers des neurones individuels appartiennent à des types de cellules homologues en série, qui étaient cruciaux pour identifier les motoneurones et les neurones sensoriels à travers les neuropiles des jambes. La catégorisation des interneurones selon leurs schémas d'innervation des neuropiles fournit un axe d'organisation supplémentaire.

Plus de la moitié des neurones intrinsèques du VNC semblent dédiés aux jambes, la majorité étant limitée aux neuropiles à une seule jambe; en revanche, les interneurones inhibiteurs reliant différents neuropiles des jambes, en particulier ceux traversant la ligne médiane, semblent plus rares que prévu par les modèles standard de circuits locomoteurs.

Nos annotations sont publiées dans le cadre de l'application Web neuprint.janelia.org et servent également de base à l'analyse programmatique du connectome grâce à des outils dédiés que nous décrivons dans cet article.

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