Uroshedelmäkärpäsen koko hermosto on nyt kartoitettu neuroni neuronilta

Konnektomi ei ole vain kuva aivoista, vaan solutason kytkentäkaavio: se kertoo, mitkä neuronit ovat yhteydessä toisiinsa. Uusi aikuisen uroshedelmäkärpäsen (Drosophila) aineisto kattaa saman yksilön keskusaivot, näkölohkot ja vatsapuolisen hermorungon. Kartassa on 166 691 kokonaan tarkistettua neuronia, 11 691 nimettyä solutyyppiä ja 125 miljoonaa synapsia eli hermosolujen liitoskohtaa. 25

Yhtenäinen kartta aivoista liikkeeseen

Aiemmat kärpäsaineistot osoittivat, että kokonaisen aivon konnektomi on mahdollinen. Aikuisen naarashedelmäkärpäsen julkaistussa aivokartassa rekonstruoitiin esimerkiksi 139 255 neuronia ja noin 50 miljoonaa kemiallista synapsia. 7

Urosaineisto laajentaa näkymää kahdella olennaisella tavalla. Neuroneita on enemmän, ja mukana on vatsapuolinen hermorunko, jota verrataan usein selkäytimeen. Samalla aivojen ja hermorungon välinen kaulayhteys säilyy ehjänä. Tutkijat voivat siis seurata hermopiirejä aistitiedon käsittelystä ja aivojen korkeamman tason keskuksista liikkeeseen ja käyttäytymiseen liittyviin ratoihin asti sen sijaan, että aivoja ja hermorunkoa tutkittaisiin erillisinä karttoina. 2

Näin valtavasta aineistosta tehtiin käyttökelpoinen

Työ on HHMI Janelian ja sen yhteistyökumppaneiden lähes kaksi vuosikymmentä kestäneen tutkimuksen tulos. Mukana oli tutkijoita muun muassa Google Researchista, MRC Laboratory of Molecular Biologysta ja Cambridgen yliopistosta.

Tulosta ei saavutettu yhdellä menetelmällä, vaan usean vaiheen työnkululla:

• Elektronimikroskopia tuotti kuvia, joiden tarkkuus riitti neuronien ja niiden synapsien erottamiseen. FlyEM-ohjelma käyttää elektronimikroskopiaa perustanaan kartoittaessaan neuroneja ja synapseja koko Drosophila-hermostossa. 8
• Tekoälyavusteinen laskenta muunsi kuvamassaa alustaviksi solurekonstruktioiksi. Google kuvaa yhteistyötä kymmenvuotiseksi hankkeeksi, jossa laskenta ja tekoäly mahdollistivat kokonaisten aivojen solutason karttojen rakentamisen.
• Ihmisten tekemä tarkistus ja annotointi viimeistelivät laskennallisen työn tieteellisesti käyttökelpoiseksi aineistoksi. Neuronit on tarkistettu kokonaan ja aineisto on laajasti annotoitu; tämä erottaa sen pelkästä automaattisen järjestelmän tuottamasta, varmistamattomasta luonnoksesta. 25
• Solutyyppi- ja molekyylimerkinnät tekevät kytkentäkaaviosta biologisesti tulkittavan. Atlas sisältää merkintöjä muun muassa sukupuolen määräytymiseen liittyvien fruitless- ja doublesex-geenien ilmentymisestä. 5

Keskeinen opetus on, että tekoäly teki työn mittakaavasta hallittavan, mutta asiantuntijoiden tarkistus teki kartasta luotettavan biologisten kysymysten tutkimiseen.

Mitä uros- ja naaraskarttojen vertailu paljastaa

Täydellinen uros-CNS:n kartta ja aiempi naaraskärpäsen aivokonnektomi mahdollistavat suorat vertailut synapsitasolla. Tutkimuksessa yhdistettiin keskusaivojen välillä 7 319 solutyyppiä: 7 205 oli rakenteeltaan samanlaisia, 114 sukupuolidimorfisia, 262 uroskohtaisia ja 69 naaraskohtaisia. 5

Vertailu auttaa erottamaan kaksi vaihtoehtoa, joita pelkät käyttäytymiskokeet eivät yleensä pysty ratkaisemaan. Käyttäytymisero voi johtua vain toisessa sukupuolessa esiintyvästä neuronityypistä — tai neuronityypistä, joka löytyy molemmista sukupuolista mutta on kytkeytynyt eri tavoin. Fruitless- ja doublesex-merkinnät tarjoavat lisäksi molekyylitason kiintopisteen sukupuolidimorfisten hermopiirien tutkimukselle. 56

Mausta syömispäätökseen

Koko keskushermoston kartan arvo korostuu, kun se yhdistetään toiminnallisiin kokeisiin. Kokonaisaivojen konnektomia ja kalsiumkuvantamista yhdistänyt tutkimus havaitsi, että monet varhaiset makuun reagoivat neuronit subesofageaalisella alueella koodaavat yhtä makuaistimuksen lajia. Näihin lukeutuu sekä paikallisia välineuroneita että projektiohermosoluja.

Toisessa konnektomianalyysissä toisen asteen makuneuronit olivat tällä alueella suurelta osin eriytyneet makulaadun mukaan. Kolmannen asteen neuronien haarakkeet ulottuivat useammin alueen ulkopuolelle, ja niiden välillä oli enemmän eri makulaatujen päällekkäisyyttä. Tällainen järjestely voi auttaa muuttamaan makusignaalit syömiseen liittyviksi päätöksiksi.

Yhdessä oheisraportissa makusignaaleja seurattiin edelleen syömisen liikkeitä ohjaaviin ratoihin. Se tunnisti myös reittejä, jotka voivat selittää ennakoivaa insuliinin vapautumista jo ennen ravintoaineiden imeytymistä. Kyse on mahdollisesta hermopiiritason selityksestä, ei vielä lopullisesti vahvistetusta insuliinisignaloinnin mekanismista.

Malli tuleville konnektomeille — mutta ei oikotie ihmisaivoihin

Uroshedelmäkärpäsen konnektomi tarjoaa käytännön mallin tulevalle konnektomiikalle: tarvitaan erittäin tarkkaa kuvantamista, skaalautuvaa automaattista rekonstruktiota, huolellista tarkistusta, yhtenäisiä merkintätapoja sekä työkaluja, joilla muut tutkijat voivat hakea ja käyttää aineistoa. Karttaa voi tutkia vuorovaikutteisesti, ja tietoa voi hakea myös ohjelmallisesti. 1

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että täydellinen hiiren tai ihmisen konnektomi olisi aivan nurkan takana. Suuremmissa aivoissa kudosmäärä, kuvantaminen, rekonstruktio, tallennus, laskenta ja laadunvarmistus ovat huomattavasti vaikeampia ongelmia. Kärpästyö on silti vaativa käytännön testi työnkululle, jota tulevat hankkeet tarvitsevat — etenkin järjestelmissä, joissa anatomiaa, hermoston toimintaa ja käyttäytymistä voidaan tutkia rinnakkain.

Pysyvin saavutus ei siis ole pelkkä ennätyksellinen neuronimäärä. Kyse on tarkistetusta ja haettavasta kartasta, joka yhdistää aivot ja hermorungon yhdessä eläimessä sekä tarjoaa yhteisen vertailupisteen sille, miten hermoston kytkennät tuottavat sukupuolieroja käyttäytymisessä, aistipäätöksiä ja liikettä. 25