نقشه کامل اولین نورون در مغز افشا شد

1

تصور کنید به نقشه پیچیده اما زیبای یک شهر کامل نگاه می‌کنید، اما این شهر در واقع یک مغز است. به نظر جالب می‌رسد، درست است؟ خوب، حالا دانشمندان این را به واقعیت تبدیل کرده‌اند.

متخصصان اولین نقشه اتصالات یا «کانکتوم» هر نورون در یک مغز بالغ را به همراه ۵۰ میلیون اتصال بین آنها ایجاد کرده‌اند که نشانه‌ای از پیشرفت در زمینه علوم اعصاب است.

نقشه کامل اتصالات مغز

این پروژه به وسیله کنسرسیوم FlyWire، یک همکاری بین‌المللی بزرگ که شامل دانشمندان از آزمایشگاه زیست‌شناسی مولکولی MRC در کمبریج، دانشگاه پرینستون، دانشگاه ورمانت و دانشگاه کمبریج است، ممکن شد.

این تحقیق که در دو مقاله در مجله Nature منتشر شده، اولین نقشه کامل اتصالات ۱۳۹,۲۵۵ نورون در مغز یک مگس بالغ را ارائه می‌دهد – حیوانی که قادر به راه رفتن و دیدن است.

مطالعات قبلی سیستم‌های مغزی کوچک‌تری مانند لارو مگس میوه با ۳,۰۱۶ نورون یا کرم نماتود با ۳۰۲ نورون را نقشه‌برداری کرده بودند. با این حال، مطالعه کنونی با ارائه نقشه عصبی در مقیاس کامل برای یک موجود پیچیده‌تر، پیشرفتی جدید را رقم می‌زند.

تحقیقات جاری در علوم اعصاب

یافته‌ها بینش‌های ارزشمندی در مورد ساختار و عملکرد مغز ارائه می‌دهند و مقایسه‌ای حیاتی برای تحقیقات جاری در علوم اعصاب فراهم می‌کنند.

۵۰ نورون بزرگترین کانکتوم مغز مگس بالغ. اعتبار: تایلر اسلون و امی استرلینگ از FlyWire، دانشگاه پرینستون (Dorkenwald و همکاران، ۲۰۲۴).

اگر بخواهیم بفهمیم مغز چگونه کار می‌کند، به درک مکانیکی از اینکه چگونه تمام نورون‌ها به هم متصل می‌شوند و به ما اجازه می‌دهند فکر کنیم، نیاز داریم. برای اکثر مغزها، ما هیچ ایده‌ای نداریم که این شبکه‌ها چگونه عمل می‌کنند،» به گفته دکتر گرگوری جفرس، یکی از نویسندگان این مطالعه.

نقشه دقیق مغز مگس می‌تواند به بسیاری از این سوالات پاسخ دهد و پیچیدگی‌های مدارهای عصبی را باز کند.

شباهت‌ها در اتصالات مغزی

یکی از شگفت‌انگیزترین کشفیات این مطالعه، شباهت‌های قابل توجهی است که بین نقشه کنونی و تلاش‌های قبلی در مقیاس کوچکتر مشاهده شد.

این امر به این نتیجه‌گیری منجر شد که مغزهای فردی شباهت‌های ذاتی در اتصالات خود دارند – بر خلاف اعتقاد به اینکه هر مغز یک ساختار منحصر به فرد است.

سفر به سوی نقشه‌برداری مغز

مسیر دستیابی به این دستاورد شامل برش یک مغز کامل مگس، که کمتر از یک میلی‌متر عرض دارد، به ۷,۰۰۰ برش نازک بود.

این برش‌ها سپس با استفاده از میکروسکوپ الکترونی با وضوح بالا به دقت اسکن شدند تا شکل‌های تقریباً ۱۴۰,۰۰۰ نورون و ۵۰ میلیون اتصال بین آنها استخراج شود.

قدرت هوش مصنوعی

کار تحلیل این حجم عظیم از داده‌ها با استفاده از یادگیری ماشین ممکن شد، که پتانسیل فناوری هوش مصنوعی را برای تحول در علوم اعصاب نشان می‌دهد.

برای اطمینان از دقت داده‌ها، حدود ۳۳ سال انسانی برای ویرایش لازم بود. با وجود چالش‌ها، نتیجه این تلاش دقیق راه را برای کشفیات آینده در علوم اعصاب هموار کرده است.

رندر ۳ بعدی از حدود ۱۴۰ هزار نورون در مغز مگس میوه. اعتبار: FlyWire.ai؛ رندر شده توسط فیلیپ شلگل (دانشگاه کمبریج/MRC LMB).

علاوه بر ایجاد اتصالات نورونی، محققان همچنین بسیاری از جزئیات نقشه اتصالات را تفسیر کردند – از جمله طبقه‌بندی بیش از ۸,۰۰۰ نوع سلول در سراسر مغز.

این مجموعه داده‌ها کمی شبیه به Google Maps برای مغزهاست: نقشه خام اتصالات بین نورون‌ها مانند دانستن این است که کدام ساختارها در تصاویر ماهواره‌ای زمین به خیابان‌ها و ساختمان‌ها مربوط می‌شوند،» توضیح داد دکتر فیلیپ شلگل، نویسنده اول یکی از مطالعات.

شبیه‌سازی عملکرد مغز

کار محققان فراتر از نقشه‌برداری صرف است. آنها همچنین از فناوری اسکن تصویر هوش مصنوعی استفاده کردند تا پیش‌بینی کنند که آیا هر سیناپس مهاری یا تحریکی بوده است – جنبه‌ای حیاتی برای شبیه‌سازی دیجیتالی مغز.

با استفاده از داده‌های ما که به صورت آنلاین در حین کار به اشتراک گذاشته شده، سایر دانشمندان به‌طورAlready شروع به شبیه‌سازی این کرده‌اند که مغز مگس چگونه به دنیای خارج پاسخ می‌دهد،» گفت دکتر جفرس.

این یک شروع مهم است، اما ما نیاز به جمع‌آوری انواع مختلف داده‌ها داریم تا شبیه‌سازی‌های قابل اعتمادی از عملکرد مغز تولید کنیم.

راهبردهای تحقیقاتی آینده

این تحقیق بدون شک درک ما از مغز را متحول کرده است، اما سفر هنوز به پایان نرسیده است. با پیشرفت، مطالعات آینده تفاوت‌های ساختار نورونی بین مغزهای مگس‌های نر و ماده را بررسی خواهند کرد.

جامعیت نقشه اتصالات ما مزایای قابل توجهی برای تحقیقات مغز دارد و امکان بسیاری از مطالعاتی را که قبلاً با استفاده از نقشه‌های اتصالات بخش‌های مغز مگس ممکن نبود، فراهم می‌کند،» محققان اشاره کردند.

این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.