Peta pendawaian lengkap sistem saraf lalat buah jantan kini tersedia

Connectome lengkap bukan sekadar gambar otak. Ia ialah rajah pendawaian pada aras sel yang menunjukkan neuron mana bersambung dengan neuron mana. Sumber baharu bagi Drosophila jantan dewasa ini memetakan otak pusat, lobus optik dan korda saraf ventral—struktur yang sering dibandingkan dengan saraf tunjang—dalam satu sistem yang berterusan. Ia merangkumi 166,691 neuron yang telah disemak sepenuhnya, 11,691 jenis sel beranotasi dan 125 juta sambungan sinaps. 25

Kemajuan utama: satu sistem saraf yang benar-benar bersambung

Set data lalat sebelum ini telah menunjukkan bahawa connectomics, iaitu usaha memetakan semua sambungan saraf, boleh dilakukan pada keseluruhan otak. Contohnya, connectome otak penuh lalat buah betina dewasa yang diterbitkan sebelum ini membina semula 139,255 neuron dan kira-kira 50 juta sinaps kimia. 7

Peta jantan ini memperluas skop dalam dua aspek penting. Pertama, bilangan neuronnya lebih besar. Kedua, ia merangkumi korda saraf ventral sambil mengekalkan penghubung leher ke otak. Ini membolehkan penyelidik menjejaki litar daripada pemprosesan deria dan pusat otak aras tinggi kepada laluan yang terlibat dalam pergerakan serta tingkah laku, tanpa perlu menganggap otak dan korda saraf sebagai dua peta yang terpisah. 2

Bagaimana peta sebesar ini dapat dibina dan dipercayai

Pencapaian ini ialah kemuncak kerja hampir dua dekad oleh Janelia dan rakan kerjasama, termasuk penyelidik dari Google Research, MRC Laboratory of Molecular Biology dan University of Cambridge.

Ia tidak bergantung pada satu teknologi sahaja, sebaliknya pada aliran kerja yang digabungkan:

• Mikroskopi elektron menghasilkan imej yang cukup terperinci untuk membezakan neuron serta sambungan sinapsnya. Program FlyEM menggunakan mikroskopi elektron sebagai asas untuk memetakan neuron dan sinaps di seluruh sistem saraf Drosophila. 8
• Pengkomputeran dibantu AI membantu menukar data imej kepada calon rekonstruksi sel dan menyokong kerja pada skala yang mustahil dicapai melalui penjejakan manual sahaja. Google menyifatkan kerjasama ini sebagai perkongsian selama sedekad yang menggunakan pengkomputeran dan AI untuk menghasilkan peta seluruh otak pada skala sel.
• Semakan dan anotasi oleh manusia menukar hasil pengiraan kepada sumber saintifik yang siap digunakan. Set data akhir ini disifatkan sebagai telah disemak sepenuhnya dan dianotasi secara menyeluruh—perbezaan penting berbanding rekonstruksi automatik yang belum disahkan. 25
• Pelabelan jenis sel dan molekul menjadikan rajah pendawaian itu lebih mudah ditafsir. Atlas ini merangkumi anotasi berkaitan gen penentuan jantina fruitless dan doublesex. 5

Ringkasnya, AI menjadikan skala projek ini boleh diurus, tetapi semakan pakar manusialah yang menjadikan peta tersebut cukup diyakini untuk menjawab soalan biologi.

Apa yang boleh dipelajari daripada perbandingan jantan dan betina

Peta sistem saraf pusat jantan yang lengkap, apabila digandingkan dengan connectome otak betina terdahulu, membolehkan perbandingan terus pada resolusi sinaps. Kajian connectome jantan memadankan silang 7,319 jenis sel di otak pusat dan melaporkan 7,205 jenis yang isomorfik, 114 jenis berdimorfisme seksual, 262 jenis khusus jantan, serta 69 jenis khusus betina. 5

Perbandingan ini membantu penyelidik membezakan dua kemungkinan yang sukar dipisahkan melalui kajian tingkah laku sahaja: sesuatu tingkah laku mungkin muncul kerana jenis neuron itu hanya wujud pada satu jantina, atau kerana jenis neuron yang wujud pada kedua-dua jantina disambungkan dengan cara berbeza. Anotasi fruitless dan doublesex pula menyediakan rujukan molekul tambahan untuk mengkaji litar yang berbeza mengikut jantina. 56

Daripada rasa kepada keputusan makan

Nilai besar peta seluruh sistem saraf ialah ia boleh digabungkan dengan eksperimen fungsi. Kajian yang menggabungkan connectome seluruh otak dengan pengimejan kalsium mendapati banyak neuron awal yang responsif terhadap rasa di zon subesofagus mengekod satu modaliti rasa sahaja, termasuk interneuron setempat dan neuron unjuran.

Analisis connectomic berkaitan mendapati neuron rasa peringkat kedua sebahagian besarnya terpisah mengikut modaliti rasa di kawasan ini. Neuron peringkat ketiga pula memancar lebih luas ke luar kawasan tersebut dan menunjukkan lebih banyak pertindihan antara modaliti. Susunan ini mungkin membantu mengubah isyarat rasa kepada keputusan berkaitan pemakanan.

Laporan pendamping turut menerangkan penjejakan isyarat rasa hingga ke laluan motor yang terlibat dalam pemakanan, serta mengenal pasti laluan yang mungkin menjelaskan pelepasan insulin secara awal sebelum nutrien diserap. Bukti yang dibekalkan menyokongnya sebagai penjelasan berpotensi pada aras litar, bukan sebagai mekanisme muktamad bagi isyarat insulin.

Bukan jalan pintas ke connectome manusia

Connectome lalat jantan ini menawarkan pelan kerja praktikal untuk connectomics: pengimejan beresolusi tinggi, rekonstruksi automatik yang boleh diskalakan, semakan teliti, anotasi piawai dan alat yang membolehkan saintis lain menyoal serta menggunakan semula data tersebut. Sumber ini tersedia untuk penerokaan interaktif dan capaian secara pengaturcaraan. 1

Namun, pencapaian ini tidak bermakna connectome lengkap tikus atau manusia akan muncul dalam masa terdekat. Otak yang lebih besar menimbulkan cabaran jauh lebih sukar dari segi isipadu tisu, pengimejan, rekonstruksi, penyimpanan data, pengkomputeran dan kawalan kualiti. Sebaliknya, kerja pada lalat ialah ujian dunia sebenar yang sangat mencabar untuk aliran kerja yang diperlukan oleh projek masa depan—termasuk sistem yang membolehkan anatomi, aktiviti saraf dan tingkah laku dikaji bersama.

Bagi bidang neurosains, kemajuan utamanya bukan semata-mata rekod bilangan neuron. Ia ialah peta yang telah disemak, boleh dicari dan menyambungkan otak dengan korda saraf dalam seekor haiwan—memberi penyelidik rujukan bersama untuk menguji bagaimana pendawaian saraf menghasilkan tingkah laku khusus jantina, keputusan deria dan pergerakan. 25