Ensimmäinen täydellinen aikuisen eläimen koko keskushermoston kytkentäkartta julki – mitä banaanikärpäsen 140 000 neuronin piirikaavio paljastaa?

Tämä on kaikkien aikojen ensimmäinen synapsitason konnektomi minkään aikuisen eläimen koko keskushermostosta – mittaluokka, joka jättää aiemmat yritykset varjoonsa . Aineisto on vapaasti tutkijoiden käytettävissä osoitteessa flywire.ai, ja se muuttaa jo nyt sitä, miten tutkijat selvittävät aivopiirien ja käyttäytymisen välistä yhteyttä .

Mitä kytkentäkartta paljastaa

Hankkeen ydinlöydös on kokonainen osaluettelo ja virtapiirikaavio aivoista, jotka kykenevät kävelemään, lentämään, ruokailemaan, kosiskelemaan ja oppimaan. Tutkijat luokittelivat kärpäsen neuronit yli 8 400 erilliseen solutyyppiin, mikä valaisee hermorakenteiden hätkähdyttävää monimuotoisuutta . Kytkentäkartta näyttää, kuinka aisti-informaatio virtaa aivoihin, käsitellään ja laukaisee liikekäskyjä hermojoukossa – tarjoten tutkijoille suoran näköyhteyden aistimuksesta toimintaan .

Avaintietoja hankkeesta:

• Kyseessä on ensimmäinen aikuisen eläimen koko keskushermoston konnektomi, joka yhdistää aivot ja vatsanpuoleisen hermojoukon yksittäisten synapsien tarkkuudella .
• Työn toteutti FlyWire-konsortio, maailmanlaajuinen yhteistyöhanke, jossa yhdistettiin tekoälyyn perustuva kuvien segmentointi satojen kansalaistutkijoiden tekemään manuaaliseen tarkistukseen .
• Jokainen neuroni ja synapsi on nyt julkisesti saatavilla verkossa, minkä ansiosta tutkijat ympäri maailmaa voivat tutkia, merkinnöidä ja rakentaa konnektomin pohjalta elävänä tietovarantona .

Miksi tällä on merkitystä neurotieteelle

Täydellinen kytkentäkaavio käsissään neurotieteilijät voivat viimein jäljittää, kuinka tietyt piirit tuottavat tiettyjä käyttäytymismalleja. Tutkijat voivat aloittaa vaikkapa hajua aistivasta hermosolusta ja seurata synaptisia yhteyksiä käsittelykeskusten läpi aina liikettä ohjaaviin motorisiin neuroneihin asti . Tällainen päästä päähän -näkyvyys oli mahdotonta ennen konnektomin olemassaoloa.

Banaanikärpänen on jo ennestään tehokas mallieliö ihmisen sairauksien tutkimisessa. Konnektomi antaa tutkijoille nyt mahdollisuuden tutkia, kuinka ihmisen aivosairauksiin yhdistetyt geneettiset mutaatiot muuttavat hermokytkentöjä, tarjoten hallittavan järjestelmän sairausmekanismien paljastamiseen . Se luo myös suunnitelman konnektomiikan skaalaamiseksi suurempiin lajeihin – selkeä polku hiiren aivojen kartoitukseen ja jonain päivänä jopa ihmisaivojen kartoitukseen .

Uusi menetelmä tekoälyn kehittämiseen

Keinotekoiset neuroverkot ovat saaneet vaikutteita biologiasta jo vuosia, mutta banaanikärpäsen konnektomi tarjoaa jotain olennaisesti erilaista: täysin kartoitetun biologisen arkkitehtuurin, joka on kehittynyt ratkaisemaan todellisia ongelmia äärimmäisellä energiatehokkuudella . Insinöörit voivat tutkia suoraan kärpäsen piiriaiheita ja käyttää niitä uusien neuromorfisten tietokonesirujen ja algoritmien suunnitteluun, jotka toimivat enemmän aivojen kuin nykyisten kerroksellisten syväoppimispinojen tavoin.

Yhtä tärkeitä ovat itse konnektomin rakentamiseen kehitetyt tekoälytyökalut. Hanke nojasi koneoppimiseen, jolla neuronit segmentoitiin automaattisesti elektronimikroskooppikuvista ja sitten hiottiin lopputulosta. Nämä samat tekoälytekniikat ovat suoraan siirrettävissä tuleviin konnektomihankkeisiin suuremmilla eläimillä, mikä nopeuttaa edistystä koko alalla .

Vaikutukset robotiikkaan ja itsenäisiin järjestelmiin

Kärpäsen hermosto yhdistää näön, hajun, tunnon ja asentoaistin (proprioseptiikan) hallitakseen ketterää kävelyä ja lentoa – kaikki tämä vain noin 140 000 neuronin voimin . Sen ymmärtäminen, miten tämä kompakti piiristö saavuttaa robustin reaaliaikaisen navigoinnin ja esteiden väistelyn, voi johtaa radikaalisti yksinkertaisempiin ja vähemmän virtaa kuluttaviin ohjausjärjestelmiin esimerkiksi droneille ja mikroboteille . Kömpelöiden prosessorien ja massiivisten tekoälymallien sijaan tulevaisuuden autonomiset robotit voisivat nojata kevyisiin, kärpästen piiristön inspiroimiin virtapiireihin, jotka vastaavat ympäröivään maailmaan vastaavalla nopeudella ja tarkkuudella.