A Google és partnerei elkészítették a hím muslica teljes agytérképét

166 000 neuron és 125 millió szinaptikus kapcsolat

A Google Research közlése szerint a projektben a hím Drosophila melanogaster agyának és központi idegrendszerének teljes kapcsolási rajzát tették közzé. A munka a Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus vezetésével készült, a Google Research, az MRC Laboratory of Molecular Biology, a University of Cambridge és más partnerek részvételével.

A Cellben megjelent tanulmány címe: Sexual dimorphism in the complete connectome of the Drosophila male central nervous system. A Google szerint a térkép több mint 166 000 neuront és 125 millió szinaptikus kapcsolatot tartalmaz, ezzel a neuronok száma alapján az eddigi legnagyobb agytérkép.

Az ecetmuslica régóta alapvető modellorganizmus a genetikában, a forrás szerint több Nobel-díjhoz vezető tudományos kutatásban is központi szerepe volt. A Google Research azt írja, hogy az emberi agy 86 milliárd neuronjának feltérképezése jelenleg még nem lehetséges, ezért a kutatók kisebb élőlények, például muslicák agyát térképezik mesterséges intelligenciával.

A térkép már a test irányításáig terjed

Az új connectome, vagyis kapcsolati térkép nem áll meg az agynál: tartalmazza a ventrális idegköteget is, amely a forrás megfogalmazása szerint a gerincvelőhöz hasonlítható. Ez azért fontos, mert így a kutatók nem csak az agyi hálózatokat, hanem azt is vizsgálhatják, hogyan kapcsolódnak az érzékszervi bemenetek a mozgásos kimenetekhez.

A Google Research szerint az új adatkészlet lehetővé teszi a hallási, vizuális és szaglási bemenetek motoros kimenetekkel való összekapcsolását ennél a kulcsfontosságú modellorganizmusnál. A térképet a HHMI Janelia emberi szakértői annotálták és ellenőrizték.

Az adatok a Neuroglancer nevű nyílt forráskódú eszközzel megtekinthetők, böngészhetők és letölthetők. A Google Research ezt az eszközt nagy, többdimenziós adatkészletek vizualizálására hozta létre.

Összevethetővé válik a hím és a nőstény muslica idegrendszere

Az új térkép a korábban elkészült nőstény muslica agytérképét, valamint a teljes nőstény agy és idegköteg frissen közzétett térképét egészíti ki. Mivel immár hím és nőstény agy, illetve központi idegrendszer is rendelkezésre áll, a kutatók összehasonlíthatják azokat a területeket, ahol a neuronok eltérnek.

A Google Research szerint ez segítheti a muslicák udvarlásának és agressziójának biológiai mechanizmusait vizsgáló kutatásokat. Azokban az agyterületekben, amelyek a két nemben hasonlóak, a két teljes connectome alapján a kutatók elkezdhetik feltárni az egyedek közötti változatosságot is.

A forrás egy példát is említ olyan neuronra, amely eltér a hím és a korábban feltérképezett nőstény muslica agyában: a hím neuron két további nyúlvánnyal rendelkezik. A Google szerint a mesterséges intelligencia pontos 3D rekonstrukciókat tesz lehetővé az ilyen szerkezeti különbségek azonosításához.

Hogyan segíti az AI az agytérképezést

Az agytérképezés, vagyis a connectomika a forrás leírása szerint azzal kezdődik, hogy az agyat milliónyi vékony szeletre vágják, minden szeletet lefényképeznek, majd számítógépekkel és mesterséges intelligenciával illesztik össze a képeket. A Google kutatói olyan rendszereket építenek, amelyek sík elektronmikroszkópos képekből 3D rekonstrukciókat hoznak létre.

A Google Research eszközei közé tartoznak a flood-filling networks nevű neurális hálózatok, amelyek konvolúciós neurális hálózatokat használva egyetlen pixelből indulnak ki, majd azonosítják az ugyanahhoz az objektumhoz tartozó többi pixelt. A vállalat Connectomics csapata 2019-ben kiadott egy kezdeti, teljesen automatizált rekonstrukciót egy nőstény muslica agyáról.

2020-ra a Google csapata és partnerei egy ember által ellenőrzött térképet tettek közzé egy nőstény muslica agyának feléről, 25 000 neuronnal és 21 millió kapcsolattal. A forrás szerint ez akkor rekordnak számított. Eközben már zajlott a most befejezett, teljes és ellenőrzött hím muslica agytérkép elkészítése.

A Google Research azt írja, hogy a módszerek tovább javulnak. Egy friss munka szintetikus neuronokat épített be a tanítóadatokba, ami a Google szerint növelte a PATHFINDER nevű korszerű rekonstrukciós rendszer sebességét és pontosságát. A kutatók új technikák fejlesztésében is részt vesznek bizonyos neurontípusok jelölésére és annotálására.

Mit jelent ez a kutatóknak és a felhasználható tudásnak

A Google Research a hím muslica connectome-ját alapvető kutatási erőforrásnak nevezi, amely a kísérleti idegtudományt támogathatja, későbbi biológiai, gyógyszerészeti és orvosi alkalmazásokkal. A forrás szerint három, ugyanazon a napon megjelent kísérőtanulmány már fel is használta a hím muslica connectome-ját a vizuális rendszerek, az ízlelés és a társas viselkedés idegtudományi kutatásában.

A most alkalmazott módszerek más projektekben is szerepet kaphatnak. A Google Research említi a zebradánió agyának közelgő, teljesen ellenőrzött térképét, valamint az egéragy egy részének feltérképezését. A connectomika a forrás szerint már a gerincesek felé halad: a Google csapata részt vett egy, a Columbia University által vezetett, a Nature-ben ezen a héten megjelent tanulmányban is, amely az elefánthal utóagyának jelátvitelben használt részét térképezte fel.

A zebradánió lárvái a forrás szerint azon kevés gerincesek közé tartoznak, amelyek agya a jelenlegi technikákkal teljes egészében feltérképezhető. A Google Research egy Harvarddal készülő tanulmányt is említ, amely az első teljes agyi adatkészletként írja le egy gerinces esetében a teljes agyon átívelő neurális szerkezetet és molekuláris típust. A csapat emellett előzetes adatkészletet is kiadott, amely ugyanabban a zebradánió lárvaagyban kombinálja az idegi aktivitást és a szerkezetet.

A felhasználók számára mindez közvetlen termékváltozást nem jelent, a kutatói közösségnek viszont új, letölthető és böngészhető alapadatot ad. A Google Research szerint az emberi agy 86 milliárd neuronjának modellezése továbbra is elérhetetlen, de ezek a munkák közelebb vihetnek az agyműködés feltárásához és olyan folyamatok megértéséhez, amelyek mentális betegségek, például az Alzheimer-kór, a depresszió vagy a skizofrénia hátterében állnak.