ИСТИНА

Целью проекта является реконструкция коннектома проприорецепторов головы наездника Megaphragma viggianii (Hymenoptera: Trichogrammatidae) и исследование сенсорного контекста его функционирования.

Modern artificial intelligence technologies face a number of fundamental challenges, such as high energy consumption, limited adaptability and difficulties in scaling. Prototyping artificial neural networks based on biological neural circuits offers new solutions to these challenges. Of particular interest are the neural networks of miniature insects, which have achieved incredible efficiency and optimization through evolution. Miniature insects, such as the parasitic wasp Megaphragma viggianii with a body size of less than 0.2 mm, possess a nervous system that demonstrates extreme miniaturization and optimization while retaining complex behavioral functions, such as controlled flight and learning ability. The brain of M. viggianii contains only 8,600 neurons, making it an ideal model for studying the principles of compact and energy-efficient neural networks. This project aims to study the structure of the proprioceptive system in the head of M. viggianii. The primary goal is to reconstruct the connectome of the head's proprioceptors and analyze their functional characteristics. To provide sensory and functional context, the morphology and ultrastructure of the joints between the head and mouthparts, antennae, and neck, as well as the proprioceptive organs of these joints, will be examined. A comparison with larger insects will be conducted, and a detailed description of the unique adaptation to miniaturization—the reduction of accessory cells in sensilla during metamorphosis—will be provided, revealing new principles of sensory system optimization. The connectome of the proprioceptive organs of M. viggianii will be reconstructed, including a detailed description of synaptic connections and the strength of interactions between neurons, which will provide a unique contribution to understanding the organization of compact neural networks. The results of comparing the proprioceptor connectome of M. viggianii with data from larger insects will help identify universal principles of optimization and scaling of neural networks. For the first time, neuroplasticity under the effects of extreme miniaturization will be studied, including mapping anucleate neurons in the connectome and investigating the adaptation of neural networks to the innate asymmetry of the sensory apparatus (atypical absence of sensilla). It is planned to conduct a detailed reconstruction of the information flow from proprioceptive organs to brain processing centers. The results of this project will significantly contribute to understanding of the principles of optimization and neuroplasticity in biological neural networks and will provide the necessary data and context for the development of biomorphic neural networks.

2025 – 2026 Будет исследована морфология сочленений между головой и шей, головой и элементами ротового аппарата, головой и антеннами у миниатюрного паразитического наездника Megaphragma viggianii (Hymenoptera: Trichogrammatidae). Также будет выполнено описание строения, ультраструктуры, иннервации и расположения проприоцептивных сенсилл и хордотональных органов (сколопидиев) обозначенных выше сочленений. Для изучения внешней морфологии будут использованы изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM). Описание ультраструктуры будет выполнено на базе полной серии срезов головы самца M. viggianii, полученной на двулучевом ионно-электронном микроскопе (FIB-SEM), с высоким изотропным разрешением (8 нм). Будут выделены типы и подтипы проприоцептивных органов сочленений на основании деталей внешней морфологии и ультраструктуры, расположения, особенностей иннервации. Будет проведена реконструкция чувствительных нейронов проприоцептивных органов в программах NeuTu и VAST lite на основе автоматической сегментации изображений, сделанной в программе Ilastik и оригинальных скриптах в среде Pyton. Нейроны будут аннотированы относительно иннервируемых сенсилл и сколопидиев. Результаты морфологического описания внесут значительный фундаментальный вклад в понимание строения сочленений частей тела и их проприорецепторов у миниатюрных насекомых и позволят в дальнейшем определить принципы миниатюризации проприоцептивных систем насекомых. Будет проведено изучение морфофункциональных характеристик проприоцептивных органов головы Megaphragma viggianii. На базе полученных морфологических описаний будут реконструированы направления отклонений в сочленениях головы, ротовых придатков, антенн и шеи, которые затем будут соотнесены с воспринимающими их проприоцептивными органами. Будет выполнена группировка проприоцептивных органов по воспринимаемым направлениям отклонения. Определение антагонистических функциональных групп и установление принципов взаимодействия различных групп позволят смоделировать процесс формирования восприятия положения частей тела друг относительно друга (ротовых придатков и антенн относительно головы, головы относительно шеи). Будет выполнено описание морфологического строения чувствительных нейронов проприоцептивных органов, расположения тел клеток, картирование ядросодержащих и безъядерных нейронов. На базе автоматической сегментации изображений в программе NeuTu будут установлены объемы митохондрий чувствительных нейронов для определения биологической активности клеток. Будет выполнено сравнение биологической активности нейронов разных типов проприоцептивных органов, функциональных групп, ядросодержащих и безъядерных нейронов. Полученные результаты будут иметь фундаментальное значение для понимания принципов проприоцептивного восприятия у насекомых, а также предоставят необходимый контекст для коннектома проприорецепторов, и, в переспективе, для биоморфных нейронных сетей, прототипированных на их основе. 2026 – 2027 Будет проведена реконструкция коннектома хордотональных органов и проприоцептивных сенсилл сочленений голова/шея, голова/антенны и голова/ротовые придатки у Megaphragma viggianii. Реконструкция нейронов будет выполнена в программе NeuTu на основе автоматической сегментации изображений. Для синаптических партнеров будут аннотированы синаптические связи, на основании количества которых будут рассчитаны силы связей между нейронами. На базе реконструированного коннектома будут определены структуры головного мозга, отвечающие за обработку проприоцептивной информации. Будет проведена аннотация нейронов реконструированного коннектома относительно установленных структур мозга. Чувствительные нейроны будут разделены на морфофункциональные группы на основании их морфологии и локализации проекций, и аннотированы соответственно. Полученный коннектом позволит более детально исследовать принципы работы нервной системы насекомых, а в перспективе может послужить основой для создания биоморфных нейронных сетей. Будет выполнен анализ коннектома проприорецепторов головы у Megaphragma viggianii. На основании коннектома будет выполнена реконструкция потока сенсорной информации от проприоцептивных органов головы к обрабатывающим центрам мозга. Будет составлена карта ядросодержащих и безъядерных нейронов реконструированного коннектома для определения нейронов, способных к изменению экспрессии генов и проявлению нейропластичности. Среди нейронов коннектома проприоцепторов сочленений голова/антенны будут определены моторные нейроны. Для каждого из нейронов будут определены иннервируемые мышцы антенны. На основании полученных данных для каждой из функциональных групп проприорецепторов будет присвоено соответствующее движение антенны. Будет проведено сравнение коннектома проприорецепторов сочленений между парными частями ротового аппарата, а также сравнение коннектома проприорецепторов сочленений головы левой и правой антенн. Так как на левой антенне не развита одна из проприоцептивных сенсилл, их сравнение позволит изучить, как биологические нейронные сети адаптируются к врожденной асимметрии сенсорного аппарата. Полученные результаты внесут значительный вклад в понимание основ нейропластичности у животных, в том числе связанной с врожденной асимметрией биологических организмов. Будут сформулированы принципы оптимизации и адаптации к миниатюризации пропиоцептивной системы головы Megaphragma viggianii. Будет выполнен сравнительный анализ количества, расположения, строения и иннервации проприоцептивных органов M. viggianii с таковыми у крупных насекомых. Для хордотональных сенсилл будет проведено сравнение ультраструктуры с описанными для крупных насекомых, а также с ранее исследованными сколопидиями джонстонова и центрального органов антенны M. viggianii. Будет изучена уникальная адаптация сенсилл M. viggianii к миниатюризации – полная редукция вспомогательных клеток (трихогенной, тормогенной и текогенной) с использованием классического метода трансмиссионой электронной микроскопии (TEM). Морфологическое описание процесса редукции вспомогательных клеток сенсилл на разных этапах куколочного развития позволит определить факторы, сделавшие возможной существование уникальной для насекомых адаптации к миниатюрным размерам. Будет проведен сравнительный анализ относительно имеющихся данных по коннектомам более крупных насекомых. Вместе с установленными принципами миниатюризации проприоцептивных органов данные результаты внесут значительный вклад в понимание возможностей оптимизации сенсорных органов животных и биологических нейронных сетей.

Были проведены многолетние исследования, посвященные влиянию миниатюризации на антеннальную сенсорную систему у миниатюрных насекомых. Технические возможности лаборатории позволяют использовать современные методы, включая сканирующую электронную микроскопию, трехмерную электронную микроскопию (vEM), трехмерную реконструкцию и автоматическую сегментацию изображений. Вместе с выбором уникальных для данной области объектов они позволили получить актуальные и значимые данные о принципах адаптации сенсорных систем к экстремальному уменьшению размеров тела. Также были проведены предварительные исследования нейронных цепей M. viggianii, и были получены данные об иннервации антеннальных сенсилл и хордотональных органов. Для проприоцептивных сенсилл левой антенны были реконструированы проекции в центральную нервную систему. Важным направлением исследований стало изучение антенн и их сенсилл у миниатюрных насекомых. Уникальной находкой стало отсутствие вспомогательных клеток в сенсиллах M. viggianii. Особое внимание уделено хордотональным органам, таким как джонстонов и центральный органы. У M. viggianii значительно меньшее число сколопидиев джонстонова органа чем у крупных насекомых, но их структура остается сложной. Обнаружено изменение формы сколопсов, что может влиять на преобразование механических стимулов в электрические сигналы. Центральный орган, с его относительно большим числом сколопидиев, вероятно, компенсирует функции джонстонова органа. Был проведен масштабный аллометрический анализ 483 видов насекомых. Он показал, что количество сенсилл коррелирует с размером тела, но разнообразие их типов не зависит от размера тела. Исследования выявили общие принципы масштабирования антеннальных органов чувств: число структурных единиц (сенсилл и сколопидиев) сильно зависит от размеров тела, тогда как их размеры и структура менее подвержены изменениям. Несмотря на миниатюризацию, сенсорная система сохраняет сложную организацию и функциональность.