แผนที่วงจรประสาทแมลงหวี่ตัวผู้: 166,691 เซลล์ในผังการเชื่อมต่อเดียว

คอนเนกโทม (connectome) ที่สมบูรณ์ไม่ใช่เพียงภาพของสมอง แต่คือ “ผังการเดินสาย” ระดับเซลล์ที่บอกว่าเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์เชื่อมต่อกันอย่างไร ชุดข้อมูลใหม่ของแมลงหวี่ Drosophila ตัวผู้เต็มวัยครอบคลุมสมองส่วนกลาง กลีบตา และเส้นประสาทท้อง (ventral nerve cord) ของสัตว์เพียงตัวเดียวในระบบที่ต่อเนื่องกัน มีเซลล์ประสาทที่ตรวจทานความถูกต้องครบถ้วน 166,691 เซลล์ ชนิดเซลล์ที่มีคำอธิบายกำกับ 11,691 ชนิด และจุดเชื่อมต่อไซแนปส์ 125 ล้านจุด 25

ก้าวสำคัญ: แผนที่ระบบประสาทที่เชื่อมต่อเป็นผืนเดียว

ชุดข้อมูลแมลงหวี่ก่อนหน้านี้พิสูจน์แล้วว่าการทำคอนเนกโทมทั้งสมองเป็นไปได้ ตัวอย่างเช่น คอนเนกโทมสมองแมลงหวี่ตัวเมียเต็มวัยที่เผยแพร่ก่อนหน้า สร้างแบบจำลองเซลล์ประสาท 139,255 เซลล์ และไซแนปส์เคมีราว 50 ล้านจุด 7

แต่ชุดข้อมูลตัวผู้ขยายขอบเขตในสองด้านสำคัญ คือมีจำนวนเซลล์ประสาทมากกว่า และรวมเส้นประสาทท้องไว้ด้วย โครงสร้างนี้มักเปรียบได้กับไขสันหลังของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดยยังคงจุดเชื่อมต่อบริเวณคอระหว่างสมองกับเส้นประสาทท้องไว้ครบถ้วน ดังนั้น นักวิจัยจึงตามรอยวงจรจากการประมวลผลสัญญาณรับความรู้สึกและศูนย์สมองระดับสูง ไปสู่วิถีที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวและพฤติกรรมได้ แทนที่จะต้องศึกษาแผนที่สมองกับเส้นประสาทท้องแยกส่วนกัน 2

ทำอย่างไรให้การสร้างแผนที่ขนาดมหึมากลายเป็นเครื่องมือวิจัยที่ใช้ได้จริง

โครงการนี้คือผลจากงานต่อเนื่องเกือบสองทศวรรษของ Janelia และผู้ร่วมงาน รวมถึงนักวิจัยจาก Google Research, MRC Laboratory of Molecular Biology และมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์

ความสำเร็จไม่ได้เกิดจากเทคนิคเดียว แต่เกิดจากกระบวนการที่ต่อกันทั้งระบบ ได้แก่

• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (EM) สร้างภาพที่ละเอียดพอจะแยกโครงสร้างของเซลล์ประสาทและจุดเชื่อมต่อไซแนปส์ได้ โครงการ FlyEM ใช้ EM เป็นฐานในการทำแผนที่เซลล์ประสาทและไซแนปส์ทั่วระบบประสาทของ Drosophila 8
• การคำนวณที่มี AI ช่วย ใช้เปลี่ยนข้อมูลภาพให้เป็นแบบจำลองโครงสร้างเซลล์เบื้องต้น และทำให้งานขนาดที่มนุษย์ลากเส้นติดตามด้วยมืออย่างเดียวไม่ไหว กลายเป็นงานที่จัดการได้ Google ระบุว่าความร่วมมือนี้ยาวนานกว่าทศวรรษ โดยใช้การประมวลผลและ AI สร้างแผนที่สมองทั้งก้อนในระดับเซลล์
• การตรวจทานและใส่คำอธิบายโดยมนุษย์ เปลี่ยนผลลัพธ์จากคอมพิวเตอร์ให้เป็นทรัพยากรวิทยาศาสตร์ที่เสร็จสมบูรณ์ ชุดข้อมูลสุดท้ายได้รับการระบุว่า “ตรวจทานครบถ้วน” และมีคำอธิบายกำกับอย่างครอบคลุม ซึ่งต่างจากแบบจำลองอัตโนมัติที่ยังไม่ได้รับการยืนยัน 25
• การระบุชนิดเซลล์และฉลากเชิงโมเลกุล ทำให้ผังการเดินสายตีความทางชีววิทยาได้ แอตลาสนี้มีข้อมูลกำกับที่เกี่ยวข้องกับยีนกำหนดเพศ fruitless และ doublesex 5

บทเรียนสำคัญคือ AI ช่วยให้งานในระดับนี้ทำได้จริง แต่การตรวจทานจากผู้เชี่ยวชาญต่างหากที่ทำให้แผนที่น่าเชื่อถือพอจะใช้ตั้งคำถามทางชีววิทยาได้

แผนที่ตัวผู้และตัวเมียบอกอะไรเรื่องความต่างระหว่างเพศ

เมื่อมีแผนที่ระบบประสาทส่วนกลางของตัวผู้ควบคู่กับคอนเนกโทมสมองตัวเมียเดิม นักวิจัยจึงเปรียบเทียบวงจรได้โดยตรงถึงระดับไซแนปส์ งานศึกษาคอนเนกโทมตัวผู้จับคู่ชนิดเซลล์ในสมองส่วนกลางระหว่างสองเพศได้ 7,319 ชนิด โดยพบ 7,205 ชนิดที่มีโครงสร้างสอดคล้องกัน, 114 ชนิดที่ต่างกันระหว่างเพศ, 262 ชนิดเฉพาะตัวผู้ และ 69 ชนิดเฉพาะตัวเมีย 5

การเปรียบเทียบนี้ช่วยแยกความเป็นไปได้สองแบบที่การศึกษาพฤติกรรมเพียงอย่างเดียวมักตอบไม่ได้: พฤติกรรมหนึ่งอาจเกิดจากชนิดเซลล์ประสาทที่พบในเพศเดียว หรืออาจเกิดจากชนิดเซลล์ที่มีทั้งสองเพศแต่มีรูปแบบการเชื่อมต่อแตกต่างกัน ข้อมูลกำกับของ fruitless และ doublesex ยังเป็นจุดอ้างอิงทางโมเลกุลเพิ่มเติมสำหรับศึกษาวงจรที่ต่างกันตามเพศ 56

จากรสชาติสู่การตัดสินใจกินอาหาร

คุณค่าที่เด่นของแผนที่ทั้งระบบประสาท คือสามารถนำไปจับคู่กับการทดลองที่วัดการทำงานของวงจรได้ งานที่ผสานคอนเนกโทมทั้งสมองกับการถ่ายภาพแคลเซียม พบว่าเซลล์ประสาทจำนวนมากที่ตอบสนองต่อรสชาติในระยะแรก ภายในบริเวณ subesophageal zone หรือ SEZ มักเข้ารหัสรสชาติเพียงหนึ่งประเภท ซึ่งรวมทั้งอินเทอร์นิวรอนเฉพาะที่และเซลล์ประสาทฉายสัญญาณ

การวิเคราะห์คอนเนกโทมอีกงานพบว่า เซลล์ประสาทรับรสลำดับที่สองในบริเวณนี้ส่วนใหญ่ยังแยกตามประเภทของรสชาติ ขณะที่เซลล์ลำดับที่สามมีการยื่นแขนงออกนอก SEZ กว้างกว่า และมีการซ้อนทับกันระหว่างรสชาติมากขึ้น รูปแบบนี้อาจช่วยแปลงสัญญาณรสชาติไปสู่การตัดสินใจที่เกี่ยวข้องกับการกิน

รายงานคู่ขนานยังอธิบายการตามรอยสัญญาณรสชาติไปจนถึงวิถีมอเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับการกิน และระบุเส้นทางที่ อาจ อธิบายการหลั่งอินซูลินล่วงหน้าก่อนร่างกายดูดซึมสารอาหารได้ หลักฐานที่มีสนับสนุนว่าเป็นคำอธิบายที่เป็นไปได้ในระดับวงจร ไม่ได้ยืนยันกลไกการส่งสัญญาณอินซูลินอย่างเด็ดขาด

แผนที่นี้มีความหมายอย่างไรต่อสมองที่ใหญ่กว่า

คอนเนกโทมแมลงหวี่ตัวผู้เป็นต้นแบบเชิงปฏิบัติสำหรับงานคอนเนกโทมในอนาคต: การถ่ายภาพความละเอียดสูง การสร้างแบบจำลองอัตโนมัติที่ขยายขนาดได้ การตรวจทานอย่างเข้มงวด การกำกับข้อมูลตามมาตรฐาน และเครื่องมือที่ให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นค้นหาและนำข้อมูลไปใช้ต่อได้ ทรัพยากรนี้เปิดให้สำรวจแบบโต้ตอบและเข้าถึงผ่านการเรียกใช้ข้อมูลด้วยโปรแกรม 1

อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ได้หมายความว่าคอนเนกโทมสมบูรณ์ของหนูหรือมนุษย์จะเกิดขึ้นในเร็ววัน สมองที่ใหญ่กว่าสร้างความท้าทายมากขึ้นอย่างก้าวกระโดด ทั้งปริมาตรเนื้อเยื่อ การถ่ายภาพ การสร้างแบบจำลอง การจัดเก็บข้อมูล การประมวลผล และการควบคุมคุณภาพ แต่ผลงานในแมลงหวี่คือการทดสอบกระบวนการทั้งหมดกับโลกจริงอย่างเข้มข้น และเป็นฐานสำหรับโครงการในอนาคตที่ต้องการเชื่อมกายวิภาค กิจกรรมประสาท และพฤติกรรมเข้าด้วยกัน

สำหรับประสาทวิทยาศาสตร์ ความก้าวหน้าที่สำคัญจึงไม่ใช่เพียงตัวเลขเซลล์ประสาทที่ทำสถิติใหม่ แต่คือแผนที่ที่ตรวจทานแล้ว ค้นหาได้ และเชื่อมสมองกับเส้นประสาทท้องในสัตว์ตัวเดียว ซึ่งมอบจุดอ้างอิงร่วมให้นักวิจัยทดสอบว่าโครงข่ายประสาทก่อให้เกิดพฤติกรรมจำเพาะเพศ การตัดสินใจจากประสาทสัมผัส และการเคลื่อนไหวได้อย่างไร 25