Rekonstruksi otak lalat larva mencakup 3.016 neuron dan 548.000 koneksi, atau sinapsis, antar neuron. Para ilmuwan mengatakan itu adalah peta paling kompleks dan lengkap yang pernah diterbitkan dari otak hewan. Gif: Universitas Johns Hopkins/Universitas Cambridge
Bagi kebanyakan manusia, larva lalat buah tidak terlihat seperti: belatung pucat, menggeliat, berbentuk butiran beras, panjangnya hanya beberapa milimeter. Namun, dengan caranya sendiri, larva lalat menjalani kehidupan yang kaya dan menarik yang penuh dengan masukan sensorik, perilaku sosial, dan pembelajaran. Jika Anda pernah meragukan banyak hal yang terjadi di dalam kepala belatung, sekarang kami memiliki peta untuk membuktikannya.
Tim ilmuwan interdisipliner telah merilis rekonstruksi lengkap dan analisis otak lalat buah larva, diterbitkan Kamis di jurnal Science. Peta yang dihasilkan, atau connectome, seperti yang disebut dalam ilmu saraf, mencakup masing-masing dari 3.016 neuron dan 548.000 sinapsis yang berjalan di antara neuron yang membentuk seluruh sistem saraf pusat bayi lalat. Connectome mencakup kedua lobus otak larva, serta tali saraf.
Peta otak larva baru, atau connectome, mencakup kedua lobus otak dan juga tali saraf. Gif: Universitas Johns Hopkins/Universitas Cambridge
Penghubung lengkap pertama (sebagian besar) adalah nematoda (C. elegans), diterbitkan pada tahun 1986. Untuk membuat peta awal tersebut, para ilmuwan tersebut harus menggambar sambungan dengan tangan menggunakan pensil warna. Ada 302 neuron dan 7.600 sinapsis serta koneksi lain yang terlibat.
Sejak saat itu, subset dari ilmu saraf telah dikembangkan yang dikhususkan untuk prospek memetakan otak organisme yang semakin kompleks. Dan beberapa kemajuan besar telah terjadi. Kami telah mendapatkan peta lengkap dari beberapa otak nematoda. Peta otak lalat buah dewasa beresolusi relatif rendah, yang tidak memiliki analisis penghubung terperinci, diterbitkan pada tahun 2018.
G/O Media dapat memperoleh komisi
Pada tahun 2020, sebuah kelompok multi-institut, termasuk para ilmuwan dari unit penelitian Google dan Janelia Campus dari Howard Hughes Medical Institute, menerbitkan hubungan parsial otak pusat lalat buah dewasa (25.000 neuron, 20 juta koneksi). Setahun kemudian, tim peneliti Janelia yang terkait menerbitkan analisis lanjutan dari otak lalat dewasa parsial itu, dan mulai mengungkap “mengapa dan bagaimana” di balik “apa”. Dalam studi tahun 2021 itu, para ilmuwan mendokumentasikan jalur sensorik dan gerakan serta dinamika kompleks lainnya yang membantu menjelaskan bagaimana otak lalat memungkinkannya menjadi lalat.
Namun ini adalah pertama kalinya para ilmuwan mencitrakan dan menganalisis seluruh otak serangga dengan resolusi setinggi itu. Ini adalah peta otak serangga terlengkap yang pernah dibuat dan penghubung seluruh hewan yang paling rumit yang pernah diterbitkan. Singkatnya: ini adalah pengubah permainan.
Bagi sebagian orang, ini merupakan pergeseran paradigma di bidang ilmu saraf. Lalat buah adalah organisme model, dan banyak struktur dan jalur saraf dianggap dilestarikan sepanjang evolusi. Apa yang benar untuk belatung mungkin juga benar untuk serangga lain, tikus, atau bahkan manusia. Para peneliti akan merujuk otak ini dalam studi mereka lintas sub-disiplin, sama seperti ahli biologi merujuk pada genom manusia yang dipetakan pertama, kata banyak ilmuwan kepada Gizmodo. Ini adalah lebih banyak informasi tentang sistem saraf, jalur saraf, dan struktur otak hewan daripada yang pernah kita miliki sebelumnya. Selain itu, connectome yang baru diterbitkan dapat menginformasikan penelitian di luar ilmu saraf, di bidang-bidang seperti kecerdasan buatan dan biologi perkembangan.
“Aku tidak pernah berpikir sesuatu akan terlihat seperti itu.”
“Ini adalah tur de force tentang bagaimana kita memahami cara otak terhubung,” kata Timothy Mosca, seorang ahli saraf yang mempelajari sistem sensor lalat buah di Universitas Thomas Jefferson yang tidak terlibat dalam penelitian baru, dalam panggilan telepon dengan Gizmodo. .
Selama beberapa dekade, kami telah memetakan beberapa elemen kasar dari otak hewan. Para ilmuwan tahu di mana neuron motorik dan sensorik umumnya berkumpul, jelas Mosca. Tapi koneksi baru ini seperti beralih dari tampilan satelit yang buram ke peta jalan kota yang tajam. Pada susunan blok demi blok dari korteks serangga, “sekarang kami tahu di mana setiap 7-11 dan setiap, Anda tahu, Target [store] adalah,” kata Mosca.
Untuk melengkapi penghubungnya, sekelompok ilmuwan Universitas Cambridge menghabiskan 12 tahun berfokus pada otak seekor larva lalat buah betina berusia 6 jam. Organ itu, berukuran kira-kira 170 kali 160 kali 70 mikrometer, benar-benar mungil—dalam urutan besarnya terlalu kecil untuk dilihat dengan mata telanjang. Namun, para peneliti dapat menggunakan mikroskop elektron untuk memotongnya secara visual menjadi ribuan irisan, hanya setebal nanometer. Pencitraan hanya satu neuron rata-rata membutuhkan waktu sehari. Dari sana, setelah peta fisik neuron, atau “volume otak”, selesai, analisis dimulai.
Bersama dengan ilmuwan komputer di Universitas Johns Hopkins, ahli saraf Cambridge menilai dan mengkategorikan neuron dan sinapsis yang mereka temukan. Para peneliti JHU menyempurnakan program komputer untuk aplikasi yang tepat ini untuk menentukan jenis sel dan sinaps, pola dalam koneksi otak, dan untuk memetakan beberapa fungsi ke koneksi larva — berdasarkan studi ilmu saraf sebelumnya tentang perilaku dan sistem sensorik.
Mereka menemukan banyak kejutan. Pertama, penghubung lalat larva menunjukkan banyak jalur saraf yang berliku-liku di antara belahan otak, menunjukkan betapa terintegrasinya kedua sisi otak dan bagaimana pemrosesan sinyal bernuansa, kata Michael Winding, salah satu peneliti utama studi tersebut dan ahli saraf Universitas Cambridge. dalam panggilan video. “Saya tidak pernah berpikir akan terlihat seperti itu,” kata Winding.
Dalam analisis mereka, para peneliti menemukan bahwa hubungan di antara belahan otak lalat sangat banyak dan kompleks.Gif: Johns Hopkins University/Cambridge University
Di beberapa daerah, sinapsis juga sangat rekursif, berulang, dan diperkuat — terutama dan “indah” di area otak yang dianggap mendorong pembelajaran, jelas Marta Zlatic, ahli saraf Cambridge lainnya dan salah satu peneliti senior studi tersebut, dalam sebuah video. panggilan.
Menariknya, struktur berulang yang dipetakan dari otak yang sebenarnya ini tampaknya sangat cocok dengan arsitektur beberapa model kecerdasan buatan (disebut jaringan saraf residual), dengan jalur bersarang yang memungkinkan tingkat kompleksitas yang berbeda, catat Zlatic. Ketika pengembang AI membuat proksi buatan mereka dari pemrosesan informasi alami, mereka menebak secara spesifik struktur otak. Sekarang, setidaknya dengan satu cara kecil, mereka telah terbukti benar. Winding menggemakan deskripsi ini, menyebut tata letak pusat pembelajaran belatung sebagai “boneka konektivitas Rusia”.
Tidak hanya struktur saraf yang terungkap berlapis, tetapi neuron itu sendiri tampak memiliki banyak segi. Sel-sel sensorik terhubung lintas modalitas — visual, penciuman, dan masukan lainnya saling bersilangan dan berinteraksi dalam perjalanan ke sel keluaran, jelas Zlatic. “Otak ini melakukan integrasi multi-sensori dalam jumlah besar … yang secara komputasi merupakan hal yang sangat kuat,” tambahnya.
Lalu ada jenis dan jumlah relatif dari koneksi sel-ke-sel. Dalam ilmu saraf, jenis sinaps “kanonik” klasik berjalan dari akson ke dendrit. Namun, di dalam otak lalat larva yang dipetakan, itu hanya menyumbang sekitar dua pertiga dari koneksi, kata Winding dan Zlatic. Akson terhubung ke akson, dendrit ke dendrit, dan dendrit ke akson. Para ilmuwan telah mengetahui hubungan semacam ini ada dalam sistem saraf hewan, tetapi cakupannya jauh melampaui apa yang mereka harapkan. “Mengingat luasnya koneksi ini, mereka pasti penting untuk perhitungan otak,” kata Winding. Kami hanya tidak tahu persis bagaimana.
Dalam diagram jaringan penghubung larva ini, titik adalah neuron dan garis adalah koneksi sinaptik. Di sepanjang perbatasan adalah contoh dari beberapa morfologi neuron yang berbeda (yaitu bentuk) yang ditemukan para peneliti. Grafik: Universitas Johns Hopkins/Universitas Cambridge
Betapapun menariknya kemajuan ini bagi para ahli saraf (“Saya sangat bersemangat untuk melakukan sains sekarang,” kata Mosca), penghubung tidak dapat memberi tahu kita segalanya. Ini adalah “potret satu saat dalam satu waktu pada satu hewan,” jelas Mosca. Ini mengisi kesenjangan penelitian yang sangat besar — untuk memahami perkembangan otak antara tahap larva dan lalat dewasa dan struktur otak hewan secara lebih umum, tetapi terbatas.
Memiliki satu gambaran yang jelas tentang neuron dan sinapsis lalat tidak memberi tahu kita apa yang mereka semua lakukan, bagaimana otak berubah seiring waktu, atau bagaimana otak berbeda di antara individu. Kami belum memiliki data untuk membandingkan otak lalat jantan dan betina, misalnya. Juga untuk melacak pergeseran saraf saat lalat menjadi dewasa. Menempatkan semua penghubung saat ini dalam urutan pengembangan akan mirip dengan melihat “flipbook dengan beberapa halaman hilang,” kata Mosca.
Meskipun perbandingan berulang dengan peta genom manusia lengkap pertama terus muncul dalam percakapan, DNA adalah kumpulan data yang relatif statis, ditentukan dengan sel pertama dalam perkembangan organisme, kata Josh Vogelstein, seorang ilmuwan jaringan JHU dan salah satu penulis penelitian, dalam sebuah panggilan video. Sebaliknya, “koneksi Anda berubah setiap saat,” katanya. Plus, definisi yang digunakan dalam analisis Vogelstein dan rekan-rekannya (yaitu cara mereka menggambar peta) bersifat subjektif. Mereka mendefinisikan neuron sebagai simpul dan sinapsis sebagai tepi — yang lain mungkin membalikkannya atau menyatakan seluruh wilayah otak sebagai simpul, jelasnya. “Tidak ada jawaban yang seragam untuk apa itu connectome, dan apa pun itu, itu berubah.”
Ini adalah lebih banyak informasi tentang sistem saraf, jalur saraf, dan struktur otak hewan daripada yang pernah kita miliki sebelumnya.
Untuk mengurai semua yang tidak diketahui yang tersisa, lebih banyak penelitian adalah kuncinya. Kemajuan pencitraan selama beberapa tahun terakhir telah memungkinkan pengumpulan data volume otak jauh lebih cepat daripada saat studi baru ini dimulai lebih dari satu dekade lalu. Plus, dengan program komputer yang dikembangkan oleh Vogelstein dan kandidat PhD-nya, Benjamin Pedigo, analisis di masa depan dapat berkembang lebih cepat — dalam urutan bulan untuk memperbaiki data dan jam untuk memprosesnya, dibandingkan dengan tahun, Pedigo dan Vogelstein memberi tahu Gizmodo.
Zlatic bermaksud untuk menggunakan penghubung lalat larva tunggal ini sebagai titik awal untuk mengumpulkan lebih banyak lagi, dan kemudian menjalankan perbandingan untuk mengungkap tautan fungsional (misalnya, bagaimana perbedaan otak jentik-jentik yang lebih cepat?). Winding memulai kelompok labnya sendiri di mana dia akan mulai bekerja untuk mengidentifikasi sirkuit di otak lalat buah yang terkait dengan perilaku sosial. Dari sana, dia ingin mulai memanipulasi sirkuit tersebut secara eksperimental dan melihat apa yang terjadi.
Yang lain bekerja untuk memetakan otak organisme yang lebih besar. Koneksi lengkap lalat buah dewasa sedang berlangsung di Janelia. Beberapa memiliki aspirasi untuk pindah ke otak hewan sebesar dan serumit tikus, meskipun pekerjaan seperti itu masih mungkin bertahun-tahun dari penyelesaian.
Bagi Vogelstein, ini menandakan sebuah langkah menuju kemampuan untuk benar-benar memahami (dan bahkan membuat kode) kesadaran. Kami belum sampai di sana, tetapi penghubung larva ini menghadirkan kemungkinan di masa depan untuk merekayasa ulang otak hewan yang kompleks dalam bentuk program komputer. “Semua orang di dunia, sejauh yang saya tahu, mengakui atau setuju bahwa Anda membutuhkan otak untuk kesadaran,” katanya. Peta otak saja “tidak cukup”, untuk mengungkap seluruh misteri perasaan. Untuk lebih jelasnya, “tidak mungkin kita dapat mensimulasikan otak yang sadar hanya dengan memiliki koneksi ini,” dia menekankan. Tapi itu adalah “inti dan komponen yang diperlukan.”
Dalam pandangan Mosca—meskipun dia bukan peneliti penghubung—dia siap menggunakan penelitian larva baru dalam pekerjaannya sendiri. “Ini benar-benar akan memberi kami banyak umpan yang luar biasa untuk dapat mengajukan pertanyaan penelitian yang lebih canggih,” katanya. Di seluruh ilmu saraf dan biologi, “banyaknya pekerjaan yang akan diilhami dan yang akan diinformasikan ini hampir tidak terbatas.”
Ingin tahu lebih banyak tentang AI, chatbots, dan masa depan pembelajaran mesin? Lihat liputan lengkap kami tentang kecerdasan buatan, atau telusuri panduan kami ke Generator Seni AI Gratis Terbaik dan Semua yang Kami Ketahui Tentang ChatGPT OpenAI.