Peta Lengkap 166.691 Neuron Lalat Buah Jantan

Connectome bukan sekadar gambar otak. Ini adalah diagram pengkabelan pada tingkat sel yang menunjukkan neuron mana terhubung dengan neuron mana. Sumber daya baru untuk Drosophila jantan dewasa memetakan otak pusat, lobus optik, dan korda saraf ventral—struktur yang kira-kira sebanding dengan sumsum tulang belakang—dalam satu sistem yang tersambung utuh. Peta tersebut mencakup 166.691 neuron yang telah diperiksa ulang sepenuhnya, 11.691 tipe sel yang diberi anotasi, serta 125 juta koneksi sinaptik. 25

Terobosan: sistem saraf yang tersambung dari otak hingga korda saraf

Dataset lalat sebelumnya sudah membuktikan bahwa connectomics skala seluruh otak dapat dilakukan. Connectome otak lalat buah betina dewasa, misalnya, merekonstruksi 139.255 neuron dan sekitar 50 juta sinaps kimia. 7

Peta jantan ini memperluas cakupannya dalam dua hal penting. Jumlah neuronnya lebih besar, dan peta ini mencakup korda saraf ventral sambil mempertahankan penghubung leher ke otak. Dengan begitu, peneliti dapat mengikuti sirkuit dari pemrosesan rangsang indra serta pusat otak tingkat tinggi ke jalur yang berkaitan dengan gerakan dan perilaku—bukan lagi menganalisis otak dan korda saraf sebagai dua peta yang terpisah. 2

Cara mengubah rekonstruksi raksasa menjadi sumber daya ilmiah yang dapat dipakai

Pencapaian ini merupakan puncak dari hampir dua dekade kerja Janelia dan para kolaboratornya, termasuk peneliti dari Google Research, MRC Laboratory of Molecular Biology, dan University of Cambridge.

Proyek tersebut tidak bergantung pada satu teknologi saja, melainkan pada alur kerja terpadu:

• Mikroskopi elektron menghasilkan citra dengan detail yang cukup untuk membedakan neuron dan koneksi sinaptiknya. Program FlyEM memakai mikroskopi elektron sebagai fondasi untuk memetakan neuron dan sinaps di seluruh sistem saraf Drosophila. 8
• Komputasi berbantuan AI membantu mengubah data citra menjadi kandidat rekonstruksi sel dan memungkinkan pekerjaan dalam skala yang tidak mungkin ditangani oleh penelusuran manual saja. Google menyebut kolaborasi ini sebagai kemitraan selama satu dekade yang memakai komputasi dan AI untuk membangun peta seluruh otak pada skala seluler.
• Pemeriksaan ulang dan anotasi oleh manusia mengubah keluaran komputasi menjadi sumber daya ilmiah yang siap digunakan. Dataset akhir disebut telah diperiksa penuh dan diberi anotasi secara komprehensif; ini membedakannya dari rekonstruksi otomatis yang belum diverifikasi. 25
• Pelabelan tipe sel dan molekuler membuat diagram pengkabelan itu lebih mudah ditafsirkan. Atlas ini memuat anotasi terkait gen penentu jenis kelamin, fruitless dan doublesex. 5

Intinya, AI membuat skala proyek ini dapat dikelola, tetapi pemeriksaan oleh pakarlah yang membuat peta tersebut cukup andal untuk menjawab pertanyaan biologis.

Apa yang bisa diungkap perbandingan jantan dan betina

Connectome sistem saraf pusat jantan yang lengkap, jika dipadankan dengan connectome otak betina sebelumnya, memungkinkan perbandingan langsung hingga resolusi sinaps. Studi connectome jantan mencocokkan 7.319 tipe sel di otak pusat: 7.205 tipe isomorfik, 114 tipe dimorfik, 262 tipe khusus jantan, dan 69 tipe khusus betina. 5

Perbandingan ini membantu memisahkan dua kemungkinan yang kerap sulit dibedakan hanya dari studi perilaku: suatu perilaku bisa muncul karena ada tipe neuron yang hanya dimiliki salah satu jenis kelamin, atau karena tipe neuron yang ada pada keduanya ternyata tersambung dengan cara berbeda. Anotasi fruitless dan doublesex memberi rujukan molekuler tambahan untuk meneliti sirkuit yang berbeda menurut jenis kelamin. 56

Dari rasa ke keputusan makan

Nilai besar peta seluruh sistem saraf pusat ini adalah kemampuannya dipadukan dengan eksperimen fungsional. Penelitian yang menggabungkan connectome seluruh otak dan pencitraan kalsium menemukan bahwa banyak neuron yang merespons rasa pada tahap awal di zona subesofageal mengodekan satu modalitas rasa saja. Kelompok itu mencakup interneuron lokal dan neuron proyeksi.

Analisis connectomics terkait menunjukkan bahwa neuron rasa tingkat kedua di wilayah ini sebagian besar terpisah berdasarkan modalitas rasa. Neuron tingkat ketiga memproyeksikan lebih luas ke luar wilayah tersebut dan memperlihatkan tumpang tindih antarmodalitas yang lebih besar. Susunan ini berpotensi membantu mengubah sinyal rasa menjadi keputusan terkait makan.

Laporan pendamping juga menjelaskan penelusuran sinyal rasa hingga ke jalur motorik yang terlibat dalam makan, serta mengidentifikasi rute yang mungkin menjelaskan pelepasan insulin antisipatif sebelum nutrien diserap. Bukti yang tersedia mendukungnya sebagai penjelasan potensial pada tingkat sirkuit, bukan sebagai mekanisme definitif untuk pensinyalan insulin.

Arti peta ini—dan batasnya—untuk otak yang lebih besar

Connectome lalat jantan ini menyediakan cetak biru praktis bagi connectomics: pencitraan beresolusi tinggi, rekonstruksi otomatis yang dapat ditingkatkan skalanya, pemeriksaan ulang yang ketat, anotasi terstandar, serta alat agar peneliti lain dapat menelusuri dan memakai ulang datanya. Sumber daya ini tersedia untuk eksplorasi interaktif maupun akses terprogram. 1

Namun, pencapaian ini tidak berarti connectome lengkap tikus atau manusia sudah dekat. Otak yang lebih besar menghadirkan tantangan jauh lebih berat dalam volume jaringan, pencitraan, rekonstruksi, penyimpanan, komputasi, dan pengendalian mutu. Meski demikian, proyek lalat ini merupakan uji nyata yang sangat menuntut bagi alur kerja yang dibutuhkan proyek masa depan—terutama pada sistem yang memungkinkan anatomi, aktivitas saraf, dan perilaku dipelajari bersama.

Bagi ilmu saraf, kemajuan utamanya bukan semata rekor jumlah neuron. Ini adalah peta yang telah diperiksa, dapat dicari, dan menghubungkan otak dengan korda saraf pada satu individu. Peta tersebut memberi peneliti acuan bersama untuk menguji bagaimana pengkabelan saraf membentuk perilaku spesifik jenis kelamin, keputusan sensorik, dan gerakan. 25