Google, meyve sineklerinin beyninin üçte birini kapsayan, tarihteki en yüksek çözünürlüklü beyin bağlantı haritasını yayınladı
Google'ın FlyEM ekibinden ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü'nün (HHMI) Janelia Araştırma Kampüsü'nden (Janelia Araştırma Kampüsü) araştırmacılar, yakın zamanda şimdiye kadarki en yüksek çözünürlüklü hayvan beyin bağlantı haritasını - hemibrain grubu (hemibrain) - yayınladılar. Connectome), bu yeniden yapılandırılan ilk sinaptik düzeyde bağlantı grubudur.
Şekil | Bu yeni "bağlayıcı", meyve sineği beynindeki yaklaşık 25.000 nöronu tasvir ediyor ve bunlardan bazıları burada gösteriliyor (kaynak: Google
Araştırmacılar, meyve sineği beynindeki yaklaşık 25.000 nöronun 20 milyon sinapsını izleyen ve beynin çeşitli bölgelerini kapsayan binlerce farklı hücre tipine bölünebilen bir 3D modeli paylaştı. Bu model, beynin fiziksel yolunu haritalamak için ayrıntılı görüntüleme tekniklerini kullanan bağlantı alanında bir kilometre taşıdır. Önceden, yalnızca C. elegans'ın beyni tamamen böyle tanımlanabiliyordu.
Hemi-beyin bağlantı grubu, Drosophila beyninin yaklaşık üçte birini kapsar; bunlara, ilişkisel öğrenme ve uçuş navigasyonu için gerekli olan mantar gövdeleri ve karmaşık beyin devreleri dahildir; endozomlar da dahil olmak üzere saat nöronu dolambaçlı, uyku mekanizmalarının ilgili prensiplerini de ortaya çıkarabilir. Ek olarak, mevcut optik mikroskop görüntü verilerine ve optik lobdaki kısmi konektörlerin önceki rekonstrüksiyonuna dayanarak, merkezi beyin alanına giren optik lob nöronlarının çoğunu da tanımladı, böylece sonraki görsel işlem analiz edilebilir.
Drosophila, insanlar tarafından en derinlemesine çalışılan organizmalardan biri olarak kabul edilmektedir. Drosophila ile ilgili araştırmalar moleküler biyoloji, genetik ve sinirbilimin gelişimini desteklemiştir. Şu anda Drosophila ile ilgili araştırmalar için 8 Nobel Ödülü bulunmaktadır. Drosophila'nın önemli avantajı, beyninin nispeten küçük olması ve tam bir devre olarak çalışmasının daha kolay olmasıdır.
Şekil | Drosophila
Google, 2014 yılında Janelia ile meyve sineği beyin verilerini araştırmaya ve 3D otomatik yeniden yapılandırmaya odaklanan bir ortaklık kurdu. 2019'da, meyve sineklerinin beyninin tamamını yeniden yapılandırmak için Cambridge Üniversitesi ile birlikte çalıştılar, 40 trilyon piksel görüntü yayınladılar ve ayrıca bir 3B etkileşimli arayüz "Neuroglancer" geliştirdiler. Daha önce bilim adamları, meyve sineklerinin beyinlerini haritalamak için yalnızca yapay yöntemler kullanıyorlardı.
Meyve sineklerinin beynini otomatik olarak yeniden yapılandırma becerisini duyurduktan sonra, FlyEM ekibi ile yakın çalışmaya devam ederek, meyve sineklerinin beyninin son derece doğrulanmış ve ayrıntılı bir bağlantı grubu oluşturmak için "FIB-SEM" teknolojisi ile elde edilen görüntüleri kullanmaya devam edeceklerini söylediler.
Şekil | Drosophila beyninin otomatik rekonstrüksiyonu (Kaynak: Google)
Bu bağlantı şemasını oluşturmanın ilk adımı, meyve sineği beyninin çeşitli kısımlarını 20 mikron kalınlığında, insan saçının yaklaşık üçte biri genişliğinde parçalara ayırmaktır. Bu beyin dilimleri daha sonra onları görüntülemek için taramalı elektron mikroskobundan elektron bombardımanına tutulur. Elde edilen veriler, her hücrenin yolunu izleyen algoritmalar tarafından işlenen yaklaşık 50 trilyon vokselden (veya vokselden) oluşur.
Google'ın güçlü algoritmik yetenekleri olmasına rağmen, yazılımın çalışmasını kontrol etmek için hala çok fazla insan gücüne ihtiyacı var. Şirket, Janelianın bilim adamlarının, bu 20 milyon kimyasal sinapsın yollarını doğrulamak için VR başlıkları ve özelleştirilmiş 3D düzenleme yazılımlarını kullanarak, 3D bağlantı şemalarını yeniden okumak için iki yıl yüz binlerce saat harcadıklarını söyledi.
Öyle olsa bile, son bağlantı şeması yalnızca "yarım beyin bağlantı şeması" olabilir. Meyve sineği beyninde toplam 100.000 nöron bulunurken, insan beyninde yaklaşık 86 milyar nöron vardır. Bu, tam bir sinir yolu bağlantısı kurmaktan uzaktır.
Şekil | Bağlantı şemasını yeniden oluştur (Kaynak: FlyEM)
Bilimsel toplulukta, bağlantının değerlendirilmesi karışıktır. Bazı insanlar, bağlanabilirliğin beynin fiziksel kısımlarını belirli davranışlarla birleştirebileceğini düşünürken, diğerleri, bağlantının geliştirilmesinin herhangi bir büyük ilerleme sağlamadığına, ancak nöron haritaları çizme çalışmasının çok fazla kaynak tükettiğine inanıyor.
Araştırmacılar, görüntülemenin yüksek çözünürlüğü nedeniyle, bir milimetre küp beyin dokusunun bile 1.000 terabayttan fazla veri üretebileceğini söylüyor. Bu nedenle, bu sefer tüm Drosophila beynini yeniden yapılandırarak, veri miktarını hayal edebilirsiniz. Verileri işlemek için Google'ın sunduğu binlerce Cloud TPU kullanılıyor.
Nottingham Üniversitesi'nde nörobilimci olan Mark Humphries, yabancı medyaya verdiği bir röportajda, yeniden yapılanmanın şüphesiz teknik bir mucize olduğunu, ancak acil bilimsel soruları tek başına yanıtlamadığını, ancak bazı ilginç gizemlere yol açabileceğini söyledi.
