Erkek Meyve Sineğinin Tüm Sinir Sistemi Haritalandı

Bir konnektom, beynin yalnızca görüntüsü değil; nöronların birbirine nereden ve nasıl bağlandığını gösteren hücresel bir devre şemasıdır. Yeni yetişkin erkek Drosophila (meyve sineği) kaynağı, merkezi beyni, optik lobları ve karın tarafındaki sinir kordonunu tek, kesintisiz bir sistem olarak kapsıyor. Haritada tam doğrulamadan geçirilmiş 166.691 nöron, açıklamalı 11.691 hücre tipi ve 125 milyon sinaptik bağlantı yer alıyor. 25

Asıl yenilik: Beyin ve sinir kordonu aynı haritada

Daha önceki çalışmalar, sineklerde tüm beyin düzeyinde konnektom üretmenin mümkün olduğunu göstermişti. Yetişkin bir dişi meyve sineğinin yayımlanmış beyin haritasında 139.255 nöron ve yaklaşık 50 milyon kimyasal sinaps yeniden oluşturulmuştu. 7

Erkek sinek veri seti iki açıdan kapsamı büyütüyor. İlk olarak nöron sayısı daha yüksek. Daha önemlisi, sineğin omuriliğine benzetilebilecek karın tarafındaki sinir kordonunu da içeriyor ve boyundaki beyin bağlantısını koruyor. Böylece araştırmacılar, duyusal işleme ve üst beyin merkezlerinden hareket ve davranışla ilişkili yollara uzanan devreleri takip edebilecek; beyin ile sinir kordonunu birbirinden kopuk haritalar olarak ele almak zorunda kalmayacak. 2

Bu dev ölçekte harita nasıl kullanılabilir hâle geldi?

Çalışma, Janelia ve ortaklarının yaklaşık yirmi yıla yaklaşan emeğinin ürünü. İş birliğinde Google Research, MRC Moleküler Biyoloji Laboratuvarı ve Cambridge Üniversitesi araştırmacıları da yer aldı.

Başarı tek bir teknolojiye dayanmadı; birbirini tamamlayan bir iş akışı gerekti:

• Elektron mikroskobu: Nöronları ve aralarındaki sinaptik bağlantıları ayırt edecek ayrıntıda görüntüler sağladı. FlyEM programı, Drosophila sinir sistemindeki nöron ve sinapsları haritalamak için elektron mikroskobunu temel araç olarak kullanıyor. 8
• Yapay zekâ destekli hesaplama: Görüntü verilerinden hücrelerin aday rekonstrüksiyonlarını çıkarmaya yardımcı oldu. Google, bu hücre ölçekli tüm-beyin haritalarını oluşturma sürecini hesaplama ve yapay zekâdan yararlanan on yıllık bir ortaklık olarak tanımlıyor.
• İnsan denetimi ve açıklama: Hesaplamalı çıktılar, uzmanlarca kontrol edilip etiketlenerek tamamlanmış bir bilimsel kaynağa dönüştürüldü. Veri setinin “tam doğrulanmış” ve kapsamlı biçimde açıklamalı olması, onu yalnızca otomatik olarak üretilmiş bir taslaktan ayıran kritik özellik. 25
• Hücre tipi ve moleküler etiketleme: Devre şemasını biyolojik olarak yorumlanabilir kıldı. Atlas, cinsiyet belirlenmesiyle ilişkili fruitless ve doublesex genlerine dair açıklamalar da içeriyor. 5

Kısacası, yapay zekâ bu ölçeği yönetilebilir kıldı; insan uzmanların doğrulaması ise haritayı biyolojik sorular için güvenilir bir araca dönüştürdü.

Erkek ve dişi beyinler karşılaştırıldığında ne görülüyor?

Erkek merkezi sinir sistemi haritası ile daha önce yayımlanan dişi beyin konnektomu, sinaps çözünürlüğünde doğrudan karşılaştırma yapılmasını sağlıyor. Araştırma, merkezi beyinde eşleştirilen 7.319 hücre tipinin 7.205'inin yapısal olarak benzer olduğunu; 114'ünün cinsiyetler arasında farklılaştığını bildirdi. Buna ek olarak 262 erkek-özgü ve 69 dişi-özgü hücre tipi saptandı. 5

Bu karşılaştırma, davranış araştırmalarının tek başına çoğu zaman ayıramadığı iki olasılığı test etme imkânı sunuyor: Bir davranış, yalnızca bir cinsiyette bulunan bir nöron tipinden kaynaklanabilir; ya da her iki cinsiyette de bulunan nöronlar farklı biçimde bağlanmış olabilir. fruitless ve doublesex etiketleri de cinsiyetler arasında farklılaşan devreleri incelemek için ek bir moleküler referans sağlıyor. 56

Tattan beslenme kararına uzanan devreler

Tüm merkezi sinir sistemi haritasının en büyük değerlerinden biri, işlevsel deneylerle birleştirilebilmesi. Tüm-beyin konnektomunu kalsiyum görüntüleme ile bir araya getiren çalışmalar, subözofageal bölgede erken aşamada tada yanıt veren nöronların çoğunun tek bir tat kipini kodladığını gösterdi. Bu gruba yerel ara nöronlar ile projeksiyon nöronları da dahil.

Bağlantı haritasına dayalı ilgili bir analizde, ikinci basamak tat nöronlarının bu bölgede büyük ölçüde tat kiplerine göre ayrıldığı görüldü. Üçüncü basamak nöronlarsa bölgenin dışına daha geniş projeksiyonlar gönderiyor ve farklı tat kipleri arasında daha fazla örtüşme sergiliyor. Bu düzen, tat sinyallerinin beslenme kararlarına dönüştürülmesine yardımcı olabilir.

Eşlik eden bir rapor, tat sinyallerinin beslenmede görev alan motor yollara kadar izlenebildiğini ve besin henüz emilmeden önceki öngörücü insülin salımını açıklayabilecek güzergâhlar bulunduğunu aktarıyor. Ancak mevcut bulgular bunu insülin sinyallemesi için kesinleşmiş bir mekanizma değil, devre düzeyinde olası bir açıklama olarak destekliyor.

Daha büyük beyinler için ne ifade ediyor, ne etmiyor?

Erkek sinek konnektomu, bağlantı haritalama çalışmaları için pratik bir model sunuyor: yüksek çözünürlüklü görüntüleme, ölçeklenebilir otomatik rekonstrüksiyon, sıkı insan denetimi, standartlaştırılmış açıklamalar ve diğer araştırmacıların veriyi sorgulayıp yeniden kullanmasını sağlayan araçlar. Kaynak, etkileşimli inceleme ve programatik erişim için açık durumda. 1

Bu gelişme, fare ya da insan beyninin eksiksiz konnektomunun yakında çıkarılacağı anlamına gelmiyor. Daha büyük beyinlerde doku hacmi, görüntüleme, rekonstrüksiyon, depolama, hesaplama ve kalite kontrol sorunları çok daha ağır. Yine de sinek çalışması, gelecekteki projeler için gereken yöntemin gerçek dünyadaki en zorlu sınamalarından birini sunuyor.

Bu çalışmanın kalıcı önemi rekor nöron sayısından ibaret değil: Tek bir hayvanda beyni ve sinir kordonunu birleştiren, doğrulanmış ve aranabilir ortak bir referans oluşturuyor. Bu referans sayesinde bilim insanları, sinirsel bağlantıların cinsiyete özgü davranışları, duyusal kararları ve hareketi nasıl ürettiğini daha sistematik biçimde sınayabilecek. 25