İlkel sinir sistemleri daha eski hayvanlarda var olmasına rağmen, beyinler yaklaşık yarım milyar yıl önce gelişti ¹³ ve sofistike davranışların üretilmesi için gereklidir. Bir beyni bölgelere ayırmanın beyin işlevini anlamak için yararlı olduğu yaygın olarak kabul edilmektedir, ancak bağlantı hakkında daha ince taneli bilgilerin faydası ile ilgili sorular devam etmektedir. Aslında, nöronlar ve sinapslar düzeyinde bağlantı şemaları oluşturma çabaları tartışmalıdır ^14,15. Şüphecilik, büyük ölçüde bu tür bağlantı şemalarını ^16,17, bu nedenle bu tür diyagramların elde edilmesi varsayımsal kaldı. Küçük bir araştırmacı topluluğunun çabaları sayesinde durum 2000’li yıllarda değişmeye başladı. Burada bütün bir yetişkin beyninin nöronal bağlantı şemasını sunuyoruz ve burada ve beraberindeki çalışmalarda, bu çabanın faydasını vurgulamak için bağlantısını analiz ediyoruz.

Küçük olmasına rağmen, D. melanogaster’ın beyni, bir sineğin görmesini, koklamasını, duymasını, yürümesini ve uçmasını sağlayan 10 ⁵ nöron ve 10 ⁸ sinaps içerir. Sinekler dinamik sosyal etkileşimlere katılır ¹⁸, mesafelerde gezinin ¹⁹ ve uzun süreli anılar oluşturun ²⁰. Sinek beyinlerinin bazı kısımları, nöronların ince dallarını ve onları birbirine bağlayan sinapsları ortaya çıkarmak için yeterli çözünürlüğe sahip elektron mikroskobu görüntülerinden yeniden yapılandırılmıştır. Sinir devrelerinin ortaya çıkan bağlantı şemaları, beynin sosyal ^21,22, bellekle ilgili ²³ veya gezinme ²⁴ davranışlarını nasıl ürettiğine dair çok önemli bilgiler sağlamıştır. Diğer sinek beyin bölgelerinin bağlantı şemaları haritalanmış ve görsel ², işitsel ²⁵ ve koku ^alma23,26 işlevleriyle ilişkilendirilmiştir. Bu bağlantı şemalarının ortaya çıkardığı devre organizasyonu, memeli beyinleri ^27,28.

Bu bağlantı şemaları ve diğerleri memelilerden ^4,5,6beyin parçalarından türetilmiştir. Bununla birlikte, Drosophila nöral aktivitesinin kayıtları, duyusal ²⁹ ve motor ³⁰ değişkenlerinin neredeyse beyin çapında kodlanmasını ortaya çıkarmıştır. Bu çalışmalar ve omurgalılardaki diğerleri, beynin duyusal bilgiyi nasıl işlediğini veya davranışı nasıl yönlendirdiğini anlamanın, tüm beyin ölçeğinde küresel bilgi akışını anlamayı gerektireceğini vurgulamaktadır.

Şimdiye kadar, tüm beynin bağlantı şemasının en yakın öncülü, ^Drosophila araştırmacıları için vazgeçilmez hale gelen öncü bir kaynak olan bir sinek ‘hemibrain’1‘in yeniden inşası olmuştur. ‘Kırpılmamış’yaklaşık 20.000 nöron içerdiği tahmin edilmektedir—yani, görüntülenen hacmin sınırları tarafından minimum düzeyde kesilmiş ve aralarındaki 14 milyon sinaps. Yetişkin bir beynin tamamını yeniden yapılandırmamız 139.255 nöron içerir (Şek. 1a ve Ek Video 1) ve bu nöronlar arasında 54,5 milyon sinaps. Keşif ve analize yardımcı olmak için, bu bağlantı FlyWire Konsorsiyumu tarafından yoğun bir şekilde açıklanmıştır. Refakatçi makalemizde Schlegel ve ark.¹² bu kaynağın açıklamasını tamamlayan, 8.400’den fazla farklı hücre türünü içeren, beyin çapında küratörlüğünde bir ek açıklama hiyerarşisi sağlayın (ve bu nedenle tercihen bu makalenin yanında belirtilmelidir; https://codex.flywire.ai/about_flywire). Bunlar ve diğer birçok veri ürünü (Şek. 1b ve Tamamlayıcı Şek. 1) indirme, programlı erişim ve etkileşimli tarama için kullanılabilir ve büyüyen bir yazılım araçları ekosistemi aracılığıyla diğer fly veri kaynaklarıyla birlikte çalışabilir hale getirilmiştir (Şek. 1c). Verilerin birincil portalı FlyWire Connectome Veri Gezgini’dir (Kodeks; https://codex.flywire.ai/), bilgiyi görselleştirilebilir ve sorgulanabilir hale getirir.

Tüm beyin rekonstrüksiyonumuzdan gelen bağlantı şeması, bir ‘konektom’ olarak adlandırılacak kadar tamamlanmıştır (Tartışmada tanımlanmıştır). Caenorhabditis elegans^‘nin(300 nöron, 10 ⁴ sinaps) ve Drosophila³³‘ün 1.instar larvasının (3.000 nöron, 5 × 10 ⁵ sinaps) nöronal rekonstrüksiyonları üzerinde önemli ilerlemeyi temsil eder. Bağlantımız hemibrainin ötesine çeşitli şekillerde ilerler. Örneğin, gustasyon ve mekanosensasyon ^34,35ve motor davranışları yönlendirmek için beyinden ventral sinir kordonuna inen nöronların işlemlerinin çoğunu içerir. Ek olarak, birçok cinsel dimorfik nöron için azalan ve yükselen nöronlar ³⁶ için ek açıklamalar içerir (Deutsch ve ark. (hazırlanmakta olan makale); şu adreste mevcuttur: https://codex.flywire.ai) ve bütün bir optik lob ¹¹. Her iki optik lobu da yeniden yapılandırmamız, mevcut sütunlu görsel devre haritalarının çok ötesine geçiyor. Optik loblar ve merkezi beyin arasındaki bağlantılar, refs tarafından araştırıldığı gibi dahil edilmiştir. ^37,38. Ayrıca, burada ve beraberindeki çalışmalarda 11,12,34,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45 gösterildiği gibi, sensorimotor yolları izlemek için gerekli olan sinirler ve boyun bağı yoluyla beyne uzanan nöronlar da ^dahildir.

Yeniden yapılanmamızda hemibrain için kullanılanlardan farklı görüntü elde etme ve analiz teknikleri kullanıldı (Yöntemler ve Tartışma). Bununla birlikte, doğrudan hemibrain üzerine önemli bir şekilde inşa ettik. Schlegel et al.¹², hemibrain için önerilen hücre tiplerini, flywire’daki merkezi beyindeki hücre tipi nöronlar için bir başlangıç noktası olarak kullandı. Bu yaklaşım, farklı sinek veri kaynakları arasında birlikte çalışabilirliğe hizmet eden büyüyen bir yazılım araçları ekosistemi tarafından etkinleştirildi (Şek. 1c). Hemibrainde büyük ölçüde bulunmayan SEZ ve optik loblardaki ek açıklamalara, FlyWire Konsorsiyumundaki Drosophila araştırma grupları ve vatandaş bilim adamları tarafından katkıda bulunulmuş ve burada ve beraberindeki makalelerde daha ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Sinaps tahminleri ⁷ ve nörotransmitter kimliklerinin tahminleri ¹⁰ topluluk tarafından da katkıda bulundu.

Eşleştikten sonra Schlegel ve ark.¹² ayrıca bağlantı şemamızı üst üste bindikleri hemibrain ile karşılaştırdı ve hücre tipi sayımlarının ve güçlü bağlantıların büyük ölçüde uyumlu olduğunu gösterdi. Bu, bireyler arasındaki doğal değişkenliğin ve kusurlu rekonstrüksiyona bağlı ‘gürültünün’ birleşik etkilerinin mütevazı olma eğiliminde olduğu anlamına gelir, bu nedenle tek bir beynin bağlantı şemamız, herhangi bir vahşi tip Drosophila melanogaster bireyini incelemek için yararlı olmalıdır. Bununla birlikte, erkek ve dişi sineklerin beyinleri arasında bilinen farklılıklar vardır ⁴⁶. Ek olarak, koku alma öğrenmesi ve hafızası için gerekli bir beyin yapısı olan mantar gövdesinin ana nöronları yüksek değişkenlik gösterir ¹². Bazı mantar gövdesi bağlantı modellerinin rastgele ⁴⁷‘ye yakın olduğu bile bulunmuştur, ancak o zamandan beri rastgelelikten sapmalar ⁴⁸ tespit edilmiştir. Kısacası, Drosophila bağlantı şemaları klişeleri nedeniyle kullanışlıdır, ancak aynı zamanda konektom varyasyonu çalışmalarına da kapı açar.

Bu Makale, FlyWire beyin kaynağını tanımlamanın yanı sıra, veri ürünlerinin nasıl kullanılabileceğini gösteren analizler de sunmaktadır. Ek tüm beyin ağı analizleri Lin ve ark.⁴⁹ ve Pospisil ve diğ.³⁹. Bağlantıdan, nöropiller olarak bilinen 78 sinek beyin bölgesi arasındaki azaltılmış bir projeksiyon haritası olan bir projektom türetiyoruz (Şek. 1d, Genişletilmiş Veri Şek. 1 ve Ek Video 2). Sinaptik yolları izler ve her iki yarım küre boyunca ve merkezi beyin ile optik loblar arasındaki girdilerden beynin çıktılarına bilgi akışını analiz ederiz. Özellikle, ocelli’deki fotoreseptörlerden inen motor nöronlara giden yollarda uyarma ve inhibisyonun organizasyonu, devre davranış mekanizmaları hakkında hemen hipotezler önerir.

Kaynak ve devamı için : https://www.nature.com/articles/s41586-024-07558-y