Um conectoma de Drosophila é uma lista de neurônios no sistema nervoso de Drosophila melanogaster (mosca-da-fruta) e as sinapses químicas entre eles, ou seja, o diagrama de conexões neuronais que revela como os neurônios estão interligados. O sistema nervoso central da mosca é constituído pelo cérebro e pelo cordão nervoso ventral, e as duas estruturas possuem características próprias que possibilita a identificação entre machos e fêmeas. para os cordões nervosos de machos e fêmeas adultos, para o sistema nervoso central de machos e fêmeas adultos (cérebro e cordão nervoso conectados) e para o sistema nervoso central da larva feminina. Os conectomas disponíveis mostram apenas sinapses químicas – outras formas de comunicação interneuronal, como junções comunicantes ou neuromoduladores, não estão representadas. A Drosophila melanogaster possui um sistema nervoso muito maior e mais complexo do que os outros organismos para os quais existem conectomas completos (o nematóide C. elegans, a ascídia Ciona intestinalis, e o anelídeo Platynereis dumerilii). Os métodos de reconstrução de circuitos neurais para produzir esses conjuntos de dados foram desenvolvidos ao longo de muitos anos e por inumeros grupos de pesquisadores, em especial o projeto FlyWire, trabalhando em vários subconjuntos do complexo sistema nervoso para moscas machos e fêmeas.

Por que a Drosophila? A pesquisa do conectoma (conectômica) tem vários objetivos que torna a pesquisa favorável. Por um lado, os pesquisadores preferem um organismo pequeno o suficiente para que o conectoma possa ser obtido em um tempo razoável. No entanto, um dos principais usos do conectoma é relacionar estrutura e comportamento, com isso, um animal com um amplo repertório comportamental é desejável.Também é muito útil usar um animal com uma grande comunidade de pesquisadores já estabelecida e muitas ferramentas genéticas disponíveis. A Drosophila atende a todos esses requisitos, o que justifica seu uso:

O sistema nervoso central (cérebro mais cordão nervoso ventral) contém cerca de 160.000 neurônios, pequenos o suficiente para serem reconstruídos com a tecnologia disponível atualmente. A mosca-da-fruta exibe muitos comportamentos complexos. Centenas de comportamentos variádos como alimentação, limpeza, voo, acasalamento, aprendizagem, que foram estudados por pesquisadores, qualitativa e quantitativamente, por décadas. A genética da mosca-das-frutas é bem compreendida e muitas (dezenas de milhares) de variantes genéticas estão disponíveis. Existem muitos estudos eletrofisiológicos, de imagem de cálcio, e outros em andamento com Drosophila.

Estrutura do conectoma da mosca As sinapses na Drosophila são poliádicas o que significa que possuem múltiplos elementos pós-sinápticos, que também são comumente chamados de PSDs, de densidades pós-sinápticas em oposição a um elemento pré-sináptico ( chamado de barra T. A contagem de sinapses pode ser realizada de duas formas: como número de estruturas ou número de parceiros. Já é bem estabelecido que a contagem de células e sinapses apresenta uma variação entre indivíduos. Para a larva, existe um conectoma feminino completo disponível. Para os adultos, conectomas completos do cérebro feminino (~120.000 neurônios, ~30.000.000 sinapses) e do cordão nervoso ventral (CNV, o equivalente da medula espinhal da mosca, ~14.600 neurônios) tanto do macho quanto da fêmea. Duas equipes de pesquisadores relataram conectomas completos do SNC adulto que incluem tanto o cérebro quanto o CNV, em moscas machos e fêmeas.

Cérebro adulto O estudo da conectômica da Drosophila começou em 1991 com pesquisadores fazendouma descrição dos circuitos da lâmina . No entanto, havia muitas limitações pois os métodos utilizados em laboratórios eram predominantemente manuais e o progresso futuro dependia de técnicas mais automatizadas e avançadas. Duas décadas depois, em 2011, um conectoma de alto nível, no nível de compartimentos cerebrais e tratos interconectados de neurônios, para o cérebro completo da mosca foi publicado em um estudo científico. Com o avanço da técnologia, novas estratégiass, como o processamento digital de imagens, começaram a ser usadas nà reconstrução neural detalhada. Na seguencia foi possível a reconstrução de regiões maiores , incluindo uma coluna da medula, também no sistema visual da mosca-das-frutas. Em 2020, um conectoma denso de metade do cérebro central da Drosophila foi divulgado . Os métodos usados na reconstrução e análise inicial do conectoma do 'hemicérebro' foram descritos a seguir. Esse esforço foi uma colaboração entre a equipe Janelia FlyEM e o Google Esse conjunto de dados é uma seção incompleta, porém extensa e relevante, do cérebro central da mosca. Ele foi coletado usando microscopia eletrônica de varredura com feixe de íons focalizado (FIB-SEM), que gerou uma imagem de 8 O conjunto de dados isotrópicos de nm foi então segmentado automaticamente usando uma rede de preenchimento por inundação antes de ser revisado manualmente por uma equipe especializada. Em 2017, um volume completo do cérebro de uma mosca adulta (FAFB, na sigla em inglês) foi imagiado por uma equipe no Janelia Research Campus utilizando um novo método disponível de microscopia eletrônica de transmissão de seção seriada (ssTEM, na sigla em inglês) de alto potêncial. No entanto, os métodos automatizados ainda não eram capazes de lidar com sua reconstrução, mas o volume estava disponível para o rastreamento esparso de circuitos selecionados. Em 2023, o laboratório de Sebastian Seung em Princeton aplicou redes neurais convolucionais (CNNs, na sigla em inglês) para segmentar neurônios automaticamente, enquanto o laboratório de Jan Funke em Janelia utilizou técnicas semelhantes para detectar locais pré e pós-sinápticos. Essa versão automatizada foi importante como ponto de partida para um esforço conjunto massivo entre neurocientistas de moscas para revisar as morfologias neuronais, corrigindo erros e adicionando informações sobre o tipo celular e outras características. Este esforço resultou no projeto chamado FlyWire,que foi conduzido por Sebastian Seung e Mala Murthy do Instituto de Neurociência de Princeton em conjunto com uma grande equipe de outros cientistas e laboratórios. O conectoma cerebral completo produzido por este esforço está disponível publicamente. Este conectoma cerebral completo contém aproximadamente 5x10^7 sinapses químicas entre ~130.000 neurônios. IDs estimados de neurotransmissores foram adicionados, novamente usando técnicas do laboratório Funke. Um projetoma, um mapa de projeções entre regiões, pode ser derivado do conectoma. Em 2025, um novo conjunto de sinapses, com recall muito melhor, mas precisão inferior, foi divulgado. Pesquisadores da comunidade de conectômica da mosca-das-frutas desenvolveram estudos para correlacionar os tipos celulares entre o FlyWire e o Hemicérebro. Entre as descobertas mais relevantes estão, 61% dos tipos do Hemicérebro são encontrados no conjunto de dados do FlyWire e, desses tipos celulares consensuais, 53% das "arestas" de um tipo celular para outro podem ser encontradas em ambos os conjuntos de dados (mas as arestas conectadas por pelo menos 10 sinapses são encontradas de forma muito mais consistente entre os conjuntos de dados). Paralelamente, um atlas de tipos celulares consensuais para o cérebro da Drosophila foi publicado, produzido com base nesse conectoma do Projeto 'FlyWire' e no 'hemicérebro' anterior. Este recurso abrange 4.552 tipos celulares: 3.094 como validações rigorosas daqueles previamente propostos no conectoma do hemicérebro; 1.458 novos tipos celulares, surgindo principalmente do fato de que o conectoma do FlyWire abrange todo o cérebro, enquanto o hemicérebro deriva de um subvolume. A comparação desses conectomas distintos de Drosophila adulta revelou que a contagem de tipos celulares e as conexões fortes eram em grande parte estáveis, mas os pesos das conexões eram surpreendentemente variáveis dentro de um mesmo animal e entre diferentes animais.

Cordão nervoso ventral adulto Existem dois conjuntos de dados publicamente disponíveis do cordão nervoso ventral (CNV) da mosca adulta. O cordão nervoso da fêmea adulta (CNFA) foi coletado usando ssTEM de alto rendimento pelo laboratório de Wei-Chung Allen Lee na Harvard Medical School. Em seguida, foi submetido à segmentação automática e predição de sinapses usando CNNs, e pesquisadores de Harvard e da Universidade de Washington mapearam os neurônios motores com corpos celulares no CNV para seus alvos musculares por meio de referências cruzadas entre o conjunto de dados de microscopia eletrônica, um volume de imagem de nanotomografia de alta resolução da perna da mosca e linhas genéticas esparsas para marcar neurônios individuais com proteínas fluorescentes . O CNFA foi reconstruído posteriormente em 2024. O cordão nervoso masculino adulto (MANC) foi coletado e segmentado em Janelia usando FIB-SEM e protocolos de rede de preenchimento por inundação modificados do pipeline Hemibrain. Em uma colaboração entre pesquisadores de Janelia, Google, Universidade de Cambridge e o Laboratório de Biologia Molecular do MRC (LMB), ele foi totalmente revisado e anotado com tipos de células e outras propriedades (em particular identidades de neurotransmissores previstas), e pesquisável no neuPrint.

Sistema nervoso central adulto Dois grupos diferentes reconstruíram um sistema nervoso central unificado (cérebro mais cordão nervoso ventral) de uma Drosophila melanogaster adulta. O conjunto de dados Brain and Nerve Cord (BANC) é de uma fêmea, e o Male CNS de um macho. O BANC foi imagiado usando ssTEM de alto rendimento e processado por meio de alinhamento automático de imagens, segmentação celular e detecção de sinapses com redes neurais convolucionais. Esse processamento automatizado foi seguido por revisão manual contínua. As células reconstruídas foram anotadas com seu tipo celular e outras propriedades, o que foi realizado em parte pela correspondência computacional da morfologia e conectividade de cada neurônio no BANC com neurônios em conjuntos de dados de conectoma existentes. O conjunto de dados BANC, que contém aproximadamente 160 mil neurônios e 214 milhões de sinapses, pode ser pesquisado por meio do FlyWire Codex, onde está integrado aos conjuntos de dados FAFB e MANC, de forma que seja possível fazer referência cruzada a células idênticas nesses conjuntos de dados usando nomenclatura compartilhada. A coleta, o processamento e a análise deste conjunto de dados foram liderados por equipes de cientistas da Harvard Medical School e do Princeton Neuroscience Institute, com a participação de muitos outros laboratórios e indivíduos em todo o mundo, bem como esforços concentrados de revisão por equipes designadas em Princeton, SixEleven e Aelysia. O foco principal da análise inicial é o dimorfismo sexual, ou as diferenças entre os cérebros de machos e fêmeas. A coleta, o processamento e a análise foram liderados por equipes de cientistas do Janelia Research Campus, da Universidade de Cambridge, do Laboratório de Biologia Molecular (LMB) do MRC e do Google.

Sistema nervoso central larval O conectoma de um sistema nervoso central completo (cérebro conectado e VNC) de uma larva de primeiro instar de D. melanogaster foi reconstruído como um único conjunto de dados de 3016 neurônios. A imagem foi obtida em Janelia usando microscopia eletrônica de seção seriada. Este conjunto de dados foi segmentado e anotado manualmente usando o CATMAID por uma equipe liderada principalmente por pesquisadores de Janelia, Cambridge e do MRC LMB. Eles descobriram que o cérebro larval era composto por 3.016 neurônios e 548.000 sinapses. 93% dos neurônios cerebrais tinham um homólogo no hemisfério oposto. Das sinapses, 66,6% eram axo-dendríticas, 25,8% eram axo-axônicas, 5,8% eram dendro-dendríticas e 1,8% eram dendro-axônicas. Os autores ordenaram esses tipos de neurônios com base na proximidade às entradas e saídas cerebrais. Usando essa ordenação, eles puderam quantificar a proporção de conexões recorrentes, ou seja, o conjunto de conexões que vão de neurônios mais próximos das saídas em direção às entradas. Eles descobriram que 41% de todos os neurônios cerebrais formavam uma conexão recorrente. Os tipos de neurônios com o maior número de conexões recorrentes foram os neurônios dopaminérgicos (57%), os neurônios de feedback do corpo de cogumelo (51%), os neurônios de saída do corpo de cogumelo (45%) e os neurônios de convergência (42%) (que recebem informações do corpo de cogumelo e das regiões do corno lateral). Esses neurônios, implicados na aprendizagem, na memória e na seleção de ações, formam um conjunto de circuitos recorrentes.

Estrutura e comportamento Uma das principais aplicações do conectoma da Drosophila é a compreensão dos circuitos neurais e outras estruturas cerebrais que dão origem ao comportamento. Esta área está sob investigação muito ativa. Por exemplo, o conectoma da mosca-das-frutas tem sido usado para identificar uma área do cérebro da mosca-das-frutas envolvida na detecção e rastreamento de odores. As moscas escolhem uma direção em condições turbulentas combinando informações sobre a direção do fluxo de ar e o movimento dos pacotes de odor. Com base no conectoma da mosca, o processamento deve ocorrer no "corpo em forma de leque", onde os neurônios sensíveis ao vento e os neurônios sensíveis à direção olfativa se cruzam. Uma questão natural é se o conectoma permitirá a simulação do comportamento da mosca. No entanto, o conectoma por si só não é suficiente. Uma simulação abrangente precisaria incluir variedades e localizações de junções comunicantes, identidades de neurotransmissores, tipos e localizações de receptores, neuromoduladores e hormônios (com fontes e receptores), o papel das células da glia, regras de evolução temporal para sinapses e muito mais. Entretanto, algumas vias foram simuladas usando apenas o conectoma mais previsões de neurotransmissores.

Referências

Ligações externas «FlyWire» «FlyCircuit Database» «Fruit Fly Brain Observatory» «Janelia Research Campus». Howard Hughes Medical Institute