De link tussen hersenen en gedrag ontcijferen bij een eenvoudig dier

Om de relatie tussen hersenactiviteit en gedrag volledig te begrijpen, hadden wetenschappers een manier nodig om deze relatie in kaart te brengen voor alle neuronen in het hele brein – een tot nu toe onoverkomelijke uitdaging. Maar nadat ze hiervoor nieuwe technieken en methoden hadden uitgevonden, heeft een team van wetenschappers van het Picower Institute for Learning and Memory van het MIT een nauwkeurige berekening gemaakt van de neuronen in de kleine hersenen van een C.-worm.Hersencellen coderen voor bijna al zijn basisgedragingen, zoals als beweging en voeding.

in het journaal cel, Het team presenteert nieuwe opnames op hersenniveau en een wiskundig model dat nauwkeurig de verschillende manieren voorspelt waarop neuronen het gedrag van de worm weergeven. Door dit model specifiek op elke cel toe te passen, produceerde het team een ​​atlas van hoe de meeste cellen coderen en de circuits waarin de acties van het dier betrokken zijn. De atlas onthult daarom de ‘logica’ achter hoe de hersenen van de worm een ​​evoluerend en flexibel gedragsrepertoire kunnen produceren, zelfs als de omgevingsomstandigheden veranderen.

“Deze studie biedt een globale kaart van hoe het zenuwstelsel van een dier wordt gereguleerd om gedrag te beheersen”, zegt senior auteur Stephen Flavell, universitair hoofddocent bij de afdeling Brain and Cognitive Sciences van MIT. “Het laat zien hoeveel specifieke knooppunten waaruit het zenuwstelsel van een dier bestaat, coderen voor subtiele gedragskenmerken, en hoe dit afhangt van factoren zoals de recente ervaring van het dier en de huidige toestand.”

Afgestudeerde studenten Jungsoo Kim en Adam Atanas, die elk dit voorjaar promoveerden voor onderzoek, zijn de hoofdauteurs van het onderzoek. Ze hebben ook al hun gegevens, modelresultaten en atlas gratis beschikbaar gesteld aan collega-onderzoekers op een website genaamd WormWideWeb.

microscopen voor modellen

Om de metingen uit te voeren die nodig waren om hun model te ontwikkelen, vond het laboratorium van Flavell een nieuwe microscoop en software uit die automatisch bijna al het gedrag van de worm volgt (beweging, eten, slapen, eieren leggen, enz.) en de activiteit van elk neuron erin. . Hoofd (de cellen zijn ontworpen om te flitsen wanneer calciumionen zich ophopen).

Het onderscheiden van afzonderlijke neuronen en het betrouwbaar volgen ervan terwijl de worm kronkelt en buigt, vereiste het schrijven van aangepaste software, met behulp van de nieuwste tools op het gebied van machine learning. Wetenschappers hebben bewezen dat het 99,7% nauwkeurig is bij het bemonsteren van de activiteiten van individuele neuronen met aanzienlijk verbeterde signaal-ruisverhouding in vergelijking met eerdere systemen.

Het team gebruikte het systeem om het gesynchroniseerde gedrag en de neurale gegevens vast te leggen van meer dan 60 wormen terwijl ze rond hun borden liepen en deden wat ze wilden.

Gegevensanalyse onthulde drie nieuwe waarnemingen over neurale activiteit in de worm: neuronen volgen gedrag niet alleen in het huidige moment, maar ook in het recente verleden. Ze passen hun codering van gedrag, zoals beweging, aan op basis van een verrassende verscheidenheid aan factoren; En veel neuronen coderen tegelijkertijd voor veel gedragingen.

Hoewel het gedrag van rond een klein laboratoriumschaaltje kronkelen misschien een heel eenvoudige handeling lijkt, zijn neuronen verantwoordelijk voor factoren zoals snelheid, oriëntatie en of de worm al dan niet aan het eten is. In sommige gevallen vertegenwoordigden ze de beweging van een dier in een tijdsbestek van ongeveer een minuut.

Door recente beweging te coderen, niet alleen huidige beweging, kunnen deze neuronen de worm helpen berekenen hoe zijn acties in het verleden de huidige resultaten beïnvloeden. Veel neuronen combineren ook gedragsinformatie om complexere manoeuvres uit te voeren. Net zoals een menselijke bestuurder moet onthouden om de auto achteruit te sturen wanneer hij achteruit of vooruit gaat, integreerden sommige neuronen in de hersenen van de worm de bewegingsrichting van het dier en de stuurrichting.

Door zorgvuldig dit soort patronen te analyseren van hoe neurale activiteit zich verhoudt tot gedrag, ontwikkelden de wetenschappers het C. elegans probabilistische neurale coderingsmodel. Ingekapseld in een enkele vergelijking, legt het model uit hoe elk neuron verantwoordelijk is voor verschillende factoren om nauwkeurig te voorspellen of en hoe neurale activiteit gedrag weerspiegelt. Ongeveer 60% van de neuronen in de kop van de worm zijn al verantwoordelijk voor ten minste één gedrag.

Bij het passen van het model gebruikte het onderzoeksteam een ​​probabilistische modelleringsbenadering die hen in staat stelde te begrijpen hoe zeker ze waren van elke geschikte modelparameter, een benadering ontwikkeld door co-auteur Vikash Mansingka, een hoofdonderzoeker die het Probabilistic Computing Project aan het MIT leidt. .

een atlas maken

Bij het maken van een model dat kon bepalen hoe een hersencel gedrag zou representeren en voorspellen, verzamelde het team aanvankelijk gegevens van neuronen zonder de specifieke identiteit van de cellen bij te houden. Maar het belangrijkste doel van het bestuderen van wormen is om te begrijpen hoe elke cel en elk circuit bijdraagt ​​aan gedrag. Dus om het vermogen van het model toe te passen op elk van de specifieke neuronen van de worm, die allemaal eerder in kaart waren gebracht, was de volgende stap van het team het correleren van neurale activiteit en gedrag voor elke cel op de kaart.

Om dit te doen, moet elk neuron een unieke kleur worden genoemd, zodat zijn activiteit kan worden gekoppeld aan zijn identiteit. Het team deed dit bij tientallen vrij bewegende dieren, waardoor ze informatie kregen over hoe bijna alle specifieke neuronen in de kop van de worm verband houden met het gedrag van het dier.

De atlas die uit dit werk voortkwam, onthulde veel inzichten, volledige mapping van de neurale circuits die elk dierlijk gedrag beheersen. Flavell zei dat deze nieuwe bevindingen een beter begrip zullen geven van hoe dit gedrag te beheersen.

“Het stelde ons in staat om cirkels te maken,” zei hij. “We hopen dat terwijl onze collega’s aspecten van de neurale circuitfunctie bestuderen, ze naar deze atlas kunnen verwijzen om een ​​redelijk volledig beeld te krijgen van de belangrijkste betrokken neuronen.”

Ontworpen voor flexibiliteit

Een ander belangrijk resultaat van het werk van het team was de bevinding dat hoewel de meeste neuronen altijd gehoorzaamden aan de voorspellingen van het model, een kleinere groep neuronen in de hersenen van de worm – ongeveer 30% van degenen die gedrag coderen – in staat was om hun gedragscodering flexibel opnieuw in te delen en het over te nemen. functies Fundamenteel nieuw. Neuronen in deze groep waren betrouwbaar vergelijkbaar tussen dieren en waren goed met elkaar verbonden in het synaptische bedradingsschema van de wormen.

In theorie kunnen deze hertoewijzingsgebeurtenissen om een ​​aantal redenen plaatsvinden, dus voerde het team andere experimenten uit om te zien of ze ervoor konden zorgen dat neuronen opnieuw werden toegewezen. Terwijl de wormen rond hun platen kronkelden, pasten de onderzoekers een laserzap toe die de agar rond de kop van de worm verwarmde. De hitte was ongevaarlijk, maar genoeg om de wormen een tijdje te storen, wat resulteerde in een minutenlange verandering in de gedragstoestand van het dier. Uit deze opnames kon het team zien dat veel neuronen hun gedragscodering volledig resetten wanneer de dieren van gedragstoestand wisselden.

“Gedragsinformatie komt rijkelijk tot uiting in de hersenen in veel verschillende vormen – met verschillende stemmingen, temporele schalen en niveaus van plasticiteit – die in kaart worden gebracht op specifieke neuronale klassen in C. elegans-neuronen”, schreven de auteurs.