כך מיפו מדענים כל נוירון במערכת העצבים של זבוב פירות זכר

קונקטום מלא אינו רק תמונה של מוח, אלא תרשים חיווט תאי: מפה שמראה אילו נוירונים מחוברים זה לזה. המאגר החדש של זבוב הפירות הזכר מן הסוג Drosophila ממפה כמערכת רציפה אחת את המוח המרכזי, אונות הראייה וחוט העצבים הגחוני. הוא כולל 166,691 נוירונים שנבדקו במלואם, 11,691 סוגי תאים מתויגים ו־125 מיליון קשרים סינפטיים. 25

פריצת הדרך: מערכת עצבים אחת, מחוברת מקצה לקצה

מחקרים קודמים בזבובי פירות כבר הראו שאפשר לבנות קונקטום של מוח שלם. כך למשל, קונקטום המוח של נקבת זבוב בוגרת כלל 139,255 נוירונים וכ־50 מיליון סינפסות כימיות. 7

המפה של הזכר מרחיבה את התמונה בשני מובנים חשובים. ראשית, היא גדולה יותר במספר הנוירונים. שנית, היא כוללת את חוט העצבים הגחוני — מבנה המקביל בקירוב לחוט השדרה — תוך שמירה על החיבור בצוואר אל המוח. לכן אפשר לעקוב אחר מעגלים עצביים מעיבוד חושים וממרכזי מוח גבוהים ועד למסלולים הקשורים בתנועה ובהתנהגות, במקום לנתח את המוח ואת חוט העצבים כשתי מפות נפרדות. 2

איך הופכים שחזור עצום לכלי מחקר שימושי

הפרויקט הוא שיאו של מאמץ שנמשך קרוב לשני עשורים בהובלת ג'נליה (Janelia) ושותפיה, ובהם Google Research, המעבדה MRC לביולוגיה מולקולרית ואוניברסיטת קיימברידג'.

ההישג לא נשען על טכנולוגיה יחידה, אלא על תהליך משולב:

• מיקרוסקופיית אלקטרונים יצרה תמונות מפורטות דיין כדי להבחין בנוירונים ובנקודות החיבור הסינפטיות שלהם. תוכנית FlyEM משתמשת במיקרוסקופיה זו כבסיס למיפוי נוירונים וסינפסות ברחבי מערכת העצבים של Drosophila. 8
• חישוב בסיוע בינה מלאכותית סייע להפוך את נתוני התמונה לשחזורים ראשוניים של תאים, ואפשר עבודה בהיקף שלא ניתן היה להשיג באמצעות עקיבה ידנית בלבד. גוגל מתארת את שיתוף הפעולה כשותפות בת עשור, המשתמשת במחשוב וב־AI לבניית מפות של מוחות שלמים בקנה מידה תאי.
• הגהה אנושית ותיוג מדעי הפכו את הפלט החישובי למשאב מדעי מוגמר. המאגר הסופי מתואר ככזה שנבדק במלואו ומתויג באופן מקיף — הבדל מכריע לעומת שחזור אוטומטי שלא עבר אימות. 25
• סיווג סוגי תאים וסימון מולקולרי הפכו את תרשים החיווט לבר־פענוח. האטלס כולל תיוגים הקשורים לגנים לקביעת מין, fruitless ו־doublesex. 5

הלקח המעשי הוא שבינה מלאכותית הפכה את קנה המידה לאפשרי, אך בדיקה של מומחים היא שהפכה את המפה לאמינה דיה לשימוש בשאלות ביולוגיות.

מה אפשר ללמוד מהשוואה בין זכרים לנקבות

קונקטום מלא של מערכת העצבים בזכר, לצד קונקטום המוח הקודם של נקבה, מאפשר השוואה ישירה ברזולוציה סינפטית. במחקר הותאמו בין המפות 7,319 סוגי תאים במוח המרכזי: 7,205 סוגים איזומורפיים, 114 סוגים דימורפיים, 262 סוגים ייחודיים לזכר ו־69 סוגים ייחודיים לנקבה. 5

ההשוואה מאפשרת להבחין בין שתי אפשרויות שקשה להפריד ביניהן במחקרי התנהגות בלבד: התנהגות עשויה לנבוע מסוג נוירון שקיים רק באחד המינים, או מסוג נוירון שנמצא בשניהם אך מחווט אחרת. התיוגים של fruitless ו־doublesex מספקים גם נקודת ייחוס מולקולרית נוספת לחקר מעגלים עצביים דימורפיים בין המינים. 56

מהטעם ועד להחלטה לאכול

הערך הגדול של מפה לכל מערכת העצבים מתגלה כאשר משלבים אותה עם ניסויים תפקודיים. מחקר ששילב את קונקטום המוח השלם עם דימות סידן מצא שרבים מהנוירונים המגיבים לטעם בשלבים המוקדמים, באזור התת־ושטי, מקודדים סוג טעם יחיד. אלה כוללים נוירוני ביניים מקומיים ונוירוני הקרנה.

ניתוח קונקטומי קשור מצא כי נוירוני טעם מסדר שני באזור זה מופרדים במידה רבה לפי סוג הטעם. נוירונים מסדר שלישי, לעומת זאת, מקרינים באופן רחב יותר אל מחוץ לאזור ומציגים חפיפה גדולה יותר בין סוגי טעם — ארגון שעשוי לסייע בהפיכת אותות הטעם להחלטות הקשורות בהאכלה.

דיווח נלווה מתאר גם עקיבה אחר אותות טעם עד למסלולים מוטוריים המעורבים באכילה, ומזהה נתיבים שעשויים להסביר שחרור אינסולין מקדים עוד לפני ספיגת חומרי המזון. הראיות שסופקו תומכות בכך כהסבר אפשרי ברמת המעגל העצבי; הן אינן קובעות מנגנון סופי לאיתות האינסולין.

מה המפה מלמדת — ומה עדיין לא — על מוחות גדולים יותר

הקונקטום של זבוב הפירות הזכר מציע מתווה מעשי למחקר קונקטומי: דימות ברזולוציה גבוהה, שחזור אוטומטי בקנה מידה גדול, הגהה קפדנית, תיוגים סטנדרטיים וכלים שמאפשרים לחוקרים אחרים לחפש במידע ולעשות בו שימוש חוזר. המאגר זמין לחקירה אינטראקטיבית ולגישה תכנותית. 1

אין בכך כדי להפוך קונקטום מלא של עכבר או אדם לדבר קרוב. מוחות גדולים יותר מציבים קשיים תלולים בהרבה בנפח הרקמה, בדימות, בשחזור, באחסון, בחישוב ובבקרת איכות. אבל עבודת הזבוב היא מבחן מציאות תובעני לתהליך העבודה שיידרש בפרויקטים עתידיים — ובמיוחד במערכות שבהן אפשר לחקור יחד אנטומיה, פעילות עצבית והתנהגות.

ההתקדמות המתמשכת במדעי המוח אינה רק שיא במספר הנוירונים. זו מפה שנבדקה, ניתנת לחיפוש ומחברת מוח וחוט עצבים באותו בעל חיים — נקודת ייחוס משותפת לבחינת הדרך שבה חיווט עצבי מייצר התנהגות ייחודית למין, החלטות חושיות ותנועה. 25