Mengapa para ilmuwan menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk memetakan otak makhluk ini?

Ukuran otak lalat buah seukuran biji poppy dan mudah diabaikan.

“Saya pikir kebanyakan orang bahkan tidak berpikir bahwa lalat memiliki otak,” kata Vivek Jayaraman, ahli saraf di Janelia Research Campus Howard Hughes Medical Institute di Virginia. “Tapi, tentu saja, lalat hidup sangat kaya.”

Lalat mampu melakukan perilaku yang kompleks, termasuk menavigasi lanskap yang beragam, Berjuang dengan pesaing Nyanyian calon pasangan. Dan otak berukuran kecil mereka sangat kompleks, mengandung sekitar 100.000 neuron dan Puluhan juta koneksi atau sinapsis di antara mereka.

Sejak 2014, tim ilmuwan di Janelia telah berkolaborasi dengan peneliti Google, memetakan neuron dan sinapsis ini dalam upaya untuk membuat diagram pengkabelan yang komprehensif, juga dikenal sebagai jaringan saraf, dari otak Drosophila.

Pekerjaan, yang berkelanjutan, memakan waktu dan mahal, bahkan dengan bantuan algoritma pembelajaran mesin modern. Tetapi data yang dirilis sejauh ini sangat mencengangkan dalam detailnya, membentuk atlas dari puluhan ribu neuron berduri di banyak wilayah penting otak lalat.

dan sekarang, Dalam lembaran baru yang besarPara ahli saraf, yang diterbitkan Selasa di jurnal eLife, mulai menunjukkan apa yang dapat mereka lakukan dengannya.

Dengan menganalisis jaringan saraf hanya sebagian kecil dari otak lalat – kompleks pusat, yang memainkan peran penting dalam navigasi – Dr. Gyaraman dan rekan telah mengidentifikasi lusinan jenis neuron baru dan sirkuit saraf spesifik yang muncul untuk membantu lalat membuat jalan melalui dunia. Pekerjaan itu pada akhirnya dapat membantu memberikan wawasan tentang bagaimana semua jenis otak hewan, termasuk kita, memproses banjir informasi sensorik dan menerjemahkannya ke dalam tindakan yang tepat.

Ini juga merupakan bukti prinsip untuk bidang baru koneksi saraf modern, yang dibangun di atas janji bahwa membuat diagram pengkabelan otak yang terperinci akan menghasilkan keuntungan ilmiah.

“Ini benar-benar tidak biasa,” kata Dr. Clay Reed, peneliti senior di Institut Allen untuk Ilmu Otak di Seattle, dari makalah baru. “Saya pikir siapa pun yang melihatnya akan mengatakan sinapsis adalah alat yang kita butuhkan dalam ilmu saraf — perhentian total.”

“Lalat pikiranmu sudah matang”

Satu-satunya jaringan saraf lengkap di dunia hewan milik cacing gelang sederhana, C. elegans. Ahli biologi perintis Sidney Brenner, yang kemudian memenangkan Hadiah Nobel, memulai proyek ini pada 1960-an. Tim kecilnya menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk itu, menggunakan pensil warna untuk melacak semua 302 neuron dengan tangan.

“Brenner menyadari bahwa untuk memahami sistem saraf, Anda harus mengetahui strukturnya,” kata Scott Emmons, ahli saraf dan ahli genetika di Albert Einstein College of Medicine. Buat jaringan saraf baru C. elegans. Hal ini berlaku di seluruh biologi. Strukturnya sangat penting.”

Brenner dkk makalah sejarah mereka, yang direkam pada 340 halaman, pada tahun 1986.

Tapi bidang koneksi saraf modern tidak lepas landas sampai tahun 2000-an, ketika kemajuan dalam pencitraan dan komputasi akhirnya memungkinkan untuk mengidentifikasi koneksi di otak yang lebih besar. Dalam beberapa tahun terakhir, tim peneliti di seluruh dunia telah mulai mengumpulkan jaringan saraf ikan zebra, burung penyanyi, tikus, manusia, dan banyak lagi.

Ketika Kampus Penelitian Janelia dibuka pada tahun 2006, Gerald Rubin, direktur pendirinya, mengarahkan perhatiannya pada lalat buah. “Saya tidak ingin menyinggung sesama cacing, tetapi saya pikir lalat adalah otak paling sederhana yang sebenarnya melakukan perilaku yang menarik dan kompleks,” kata Dr. Rubin.

Beberapa tim yang berbeda di Janelia memulai proyek jaringan komunikasi penerbangan di tahun-tahun berikutnya, tetapi pekerjaan yang menghasilkan makalah baru dimulai pada tahun 2014, dengan Otak lalat buah betina berumur lima hari.

Para peneliti mengiris otak lalat menjadi lempengan-lempengan dan kemudian menggunakan teknik yang dikenal sebagai mikroskop elektron pemindaian berkas ion terfokus untuk mencitrakannya, lapis demi lapis. Mikroskop pada dasarnya bekerja sebagai kikir kuku yang sangat kecil dan sangat presisi, menghilangkan lapisan otak yang sangat tipis, mengambil gambar jaringan yang terbuka dan kemudian mengulangi prosesnya sampai tidak ada yang tersisa.

“Anda secara bersamaan mencitrakan dan memotong segmen kecil otak lalat, jadi mereka tidak ada di sana setelah Anda selesai,” kata Dr. Jayaraman. “Jadi, jika Anda melakukan kesalahan, selesailah. Angsa sudah matang – atau otak lalat Anda sudah matang.”

Tim kemudian menggunakan perangkat lunak visi komputer untuk menyatukan jutaan gambar yang dihasilkan dalam satu folder 3D dan mengirimkannya ke Google. Di sana, para peneliti menggunakan algoritme pembelajaran mesin canggih untuk mengidentifikasi setiap neuron individu dan melacak cabang-cabangnya yang berliku.

Akhirnya, tim Janelia menggunakan alat komputasi tambahan untuk mengidentifikasi sinapsis, dan peneliti manusia meninjau pekerjaan komputer, memperbaiki kesalahan, dan merevisi diagram pengkabelan.

Tahun lalu, peneliti propagasi jaringan saraf NS apa yang mereka sebut “otak”, Sebagian besar otak lalat pusat, yang mencakup area dan struktur penting untuk tidur, belajar, dan navigasi.

Sistem saraf, yang dapat diakses secara online secara bebas, mencakup sekitar 25.000 neuron dan 20 juta sinapsis, yang merupakan jumlah yang jauh lebih besar daripada C. elegans.

“Ini peningkatan besar-besaran,” kata Corey Bargman, seorang ahli saraf di The Rockefeller University di New York. “Ini adalah langkah besar menuju tujuan bekerja pada konektivitas otak.”

Selamat datang di panduan

Setelah jaringan saraf otak siap, Dr. Gyaraman, seorang ahli ilmu saraf navigasi terbang, ingin sekali menyelami data di kumpulan pusat.

Wilayah otak, yang berisi sekitar 3.000 neuron dan ditemukan di semua serangga, membantu lalat membangun model internal hubungan spasial mereka dengan dunia dan kemudian memilih dan menerapkan perilaku yang sesuai dengan keadaan mereka, seperti mencari makanan saat mereka lapar.

“Kau bilang kau bisa memberiku diagram pengkabelan untuk sesuatu seperti ini?” kata dr.jayaraman. “Ini adalah spionase industri yang lebih baik daripada yang bisa Anda dapatkan dengan mendapatkan wawasan tentang Apple iPhone.”

Dia dan rekan-rekannya mengintip melalui data jaringan saraf, mempelajari bagaimana sirkuit saraf di wilayah tersebut dikelompokkan bersama.

Sebagai contoh, Hannah Haberkern, seorang rekan postdoctoral di lab Dr. Jayaraman, menganalisis neuron yang mengirimkan informasi sensorik ke ellipsoid, struktur berbentuk kue melingkar yang bertindak sebagai Kompas terbang dalam ruangan.

Dr. Haberkern menemukan bahwa neuron yang diketahui mengirimkan informasi tentang polarisasi cahaya — panduan ekologi universal yang digunakan banyak hewan untuk navigasi — membuat lebih banyak koneksi dengan neuron kompas dibandingkan dengan neuron yang menyampaikan informasi tentang sel lain. Landmark visual dan landmark.

Neuron yang didedikasikan untuk polarisasi cahaya juga terhubung ke sel-sel otak yang memberikan informasi tentang sinyal navigasi lainnya – dan mampu sangat menghambatnya.

Para peneliti berhipotesis bahwa otak lalat dapat diprogram untuk memprioritaskan informasi tentang lingkungan global saat bepergian—tetapi juga bahwa sirkuit ini fleksibel, sehingga ketika informasi ini tidak mencukupi, mereka dapat lebih memperhatikan fitur lokal lanskap. “Mereka memiliki semua strategi cadangan ini,” kata Dr. Haberkern.

Telepon rumah lalat buah

Anggota lain dari tim peneliti telah mengidentifikasi jalur saraf tertentu yang tampaknya cocok untuk membantu lalat melacak arah kepala dan tubuhnya, memprediksi arah dan arah perjalanannya di masa depan, menghitung arah saat ini relatif terhadap lokasi lain yang diinginkan, dan kemudian bergerak. ke arah itu.

Bayangkan, misalnya, seekor lalat yang lapar melepaskan pisang yang membusuk untuk sementara waktu untuk melihat apakah ia bisa mengayunkan sesuatu yang lebih baik. Tetapi setelah beberapa menit penjelajahan tanpa hasil (secara harfiah), dia ingin kembali ke makanannya sebelumnya.

Data jaringan saraf menunjukkan bahwa sel-sel otak tertentu, yang secara teknis dikenal sebagai neuron PFL3, membantu lalat melakukan manuver ini. Neuron ini menerima dua input penting: mereka mendapatkan sinyal dari neuron yang mengikuti arah yang dihadapi lalat dan juga dari neuron yang mungkin memantau arah pisang.

Setelah menerima sinyal ini, neuron PFL3 mengirim pesan mereka sendiri ke sekelompok neuron yang mendorong lalat untuk membelok ke arah yang benar. Makan malam disajikan lagi.

“Kemampuan untuk melacak aktivitas ini melalui sirkuit itu — dari indera ke motor melalui sirkuit perantara yang kompleks ini — benar-benar menakjubkan,” kata Brad Hulse, seorang ilmuwan peneliti di lab Dr. Jayaraman yang memimpin bagian analisis ini. Jaringan saraf, tambahnya, “menunjukkan kepada kita lebih banyak daripada yang kita duga akan terjadi.”

Makalah koleksi – yang mencakup konsep 75 angka dan mencakup 360 halaman – hanyalah permulaan.

“Ini benar-benar menawarkan fakta kunci untuk mengeksplorasi wilayah otak ini lebih jauh,” kata Stanley Heinz, seorang ahli ilmu saraf serangga di Universitas Lund di Swedia. “Ini sangat mengesankan.”

Dan hanya tangguh. “Saya tidak akan memperlakukannya sebagai makalah penelitian, melainkan sebagai sebuah buku,” kata Dr. Heinz.

Faktanya, kertasnya sangat besar sehingga server prepress bioRxiv Awalnya mereka menolak untuk mempublikasikannya, mungkin karena para pejabat – untuk alasan yang dapat dimengerti – mengira itu benar buku, kata Dr. Jayaraman. (Server akhirnya menunjukkan penelitian itu diterbitkan, setelah beberapa hari pemrosesan tambahan.)

Dr Jayaraman menambahkan bahwa penerbitan makalah di eLife “memerlukan beberapa izin khusus dan komunikasi dengan dewan redaksi”.

Pelajaran terbang

Ada batasan untuk apa yang dapat diungkapkan oleh cuplikan otak tunggal pada satu saat, dan jaringan saraf tidak menangkap segala sesuatu yang menarik di otak hewan. (Misalnya, jaringan saraf Janelia menghilangkan sel glial, yang melakukan semua jenis tugas penting di otak.)

Dr. Jayaraman dan rekan menegaskan bahwa mereka tidak akan dapat menyimpulkan banyak dari jaringan saraf jika tidak selama beberapa dekade penelitian sebelumnya, oleh banyak ilmuwan lain, ke dalam perilaku lalat buah dan fisiologi dan fungsi saraf dasar, serta ilmu saraf teoretis. kerja.

Tetapi diagram pengkabelan dapat membantu peneliti menyelidiki teori yang ada dan membentuk hipotesis yang lebih baik, memutuskan pertanyaan apa yang harus diajukan dan eksperimen apa yang harus dilakukan.

“Sekarang yang sangat kami sukai adalah mengambil ide-ide yang terinspirasi oleh jaringan saraf dan kembali ke mikroskop, kembali ke elektroda kami dan benar-benar merekam otak dan melihat apakah ide-ide itu benar,” kata Dr. Hulse. .

Tentu saja, orang bisa—dan beberapa orang bertanya-tanya—mengapa sirkuit otak Drosophila begitu penting.

“Saya sering ditanya tentang ini pada hari libur,” kata Dr. Hulse.

Lalat bukanlah tikus, simpanse, atau manusia, tetapi otak mereka melakukan beberapa tugas dasar yang sama.. Memahami sirkuit saraf dasar pada serangga dapat memberikan petunjuk penting tentang bagaimana otak hewan lain menangani masalah serupa, kata David Van Essen, ahli saraf di Universitas Washington di St. Louis.

Memperoleh pemahaman yang mendalam tentang otak lalat, katanya, “juga memberi kita wawasan yang sangat relevan untuk memahami mamalia, dan bahkan manusia, otak dan perilakunya.”

Menciptakan jaringan untuk otak yang lebih besar dan lebih kompleks akan sangat menantang. Otak tikus mengandung sekitar 70 juta neuron, sedangkan otak manusia memiliki volume 86 miliar.

Tapi daun tengah yang kompleks tentu tidak sendirian; Saat ini, studi rinci tentang tikus regional dan jaringan saraf manusia sedang dalam proses, Dr. Reed berkata: “Masih banyak lagi yang akan datang.”

Editor majalah, anggap diri Anda sebagai peringatan.