Aivotutkijat ovat koonneet tarkimman hyönteisen aivokartan. Se on mahlakärpäsen eli Drosophila melanogasterin toukan aivokartta.
Kartoitus tuotti aivoista tarkan mallin, jossa on kuvattu toukan aivojen kaikki hermosolut ja hermoyhteydet.
Tutkijat kuvailevat, että näin on tehty konnektomi. Se kuvaa hermoverkkojen välisiä yhteyksiä.
Kartta kuvaa toukan aivojen kaikki 3 016 hermosolua eli neuronia ja myös hermosolujen 548 000 hermosolujen välistä yhteyttä, synapsia.
Hermosoluista 93 prosentilla oli vastine toukan toisessa aivopuoliskossa. Synapseja oli neljää tyyppiä.
Tätä ennen tutkijat ovat tehneet täydellisiä aivokarttoja vain matojen aivoista.
Esimerkiksi sukkulamadon (Caenorhabditis elegans) aivoissa on noin 7 000 hermosolujen välistä yhteyttä.
Tarkka kartta on aivotutkijoille kuin mallikappale. Toukan yksinkertaisia aivoja voi verrata ihmisen mutkikkaisiin aivoihin.
Työ auttaa aivotutkimusta ja voi auttaa kehittämään hoitoja aivosairauksiin, kuten Alzheimerin ja Parkinsonin tauteihin.
Toukan aivokartta oli monikerroksinen. Siinä oli eripituisia yhteyksiä. Tämä voi innoittaa tekoälyn tutkijoita.
He kun ovat käyttäneet neuroverkkoja malleinaan, kun he kehittävät oppivaa ja syvää tekoälyä.
Tekoa pidetään yhtenä neurotieteen merkkipaaluna. Karttaa koottiin 12 vuotta.
Työtä johtivat Johns Hopkinsin yliopiston ja Cambridgen yliopistot. Kartan julkaisi maaliskuun alussa tiedelehti Science.
Mahlakärpänen osaa suunnistaa, haistaa ja punnita riskejä.
Aivojen ja aivojen osien kartoituksia on tehty yli 50 vuotta.
Tämä on ensimmäinen täydellinen kartta yhden hyönteisen aivoista. Työtä ei olisi voitu tehdä esimerkiksi 1980-luvun tekniikoilla.
”Jos haluamme ymmärtää, keitä me olemme ja miten me ajattelemme, on ymmärrettävä myös ajattelun mekanismeja”, sanoo työn merkityksestä tutkija Joshua Vogelstein yliopistonsa Johns Hopkinsin verkkosivuilla.
”Avain siihen on ymmärtää, kuinka neuronit ovat yhteyksissä toisiinsa.”
Vogelstein on biolääketieteen insinööri Johns Hopkinsin yliopistossa. Hänen erikoisalaansa ovat juuri aivojen hermoston väliset yhteydet.
Tutkijat valitsivat työhön tarkoituksellisesti mahlakärpäsen Drosophila melanogasterin toukan. Tämä banaanikärpänen yksi mahlakärpästen laji. Toukan perimä oli jo selvitetty ja toukan läpi näkee.
Lisäksi pienen kärpäsen perusbiologia on samanlainen kuin ihmisellä. Yhteisiä geenejä on myös yllättävän paljon. Sen koko oli sopiva myös nykyisille tekniikoille.
Toukan käytöksestä voi päätellä, miten sen aivot käsittelevät aistein saatua informaatiota ja sitä, miten sen pienet aivot oppivat ja miten ne tekevät päätöksiä, kertoo tiedelehti Nature.
Aikuinen mahlakärpänen esimerkiksi suunnistaa, haistaa ja osaa punnita riskejä. Tämä näkyy sen varhaisissa aivoissa.
Kaikkien elävien aivoissa on paljon yhteistä. Erot ovat syntyneet evoluutiossa.
Mitä isompia aivoja tutkijat kartoittavat, sitä haastavampaa työ on, vaikka tekniikat ovat kehittyneet. Tätäkin karttaa koottiin 12 vuotta.
Neurotutkijat ovat arvioineet, että esimerkiksi hiiren aivot ovat yli miljoona kertaa suuremmat kuin hedelmäkärpäsen aivot. Siksi työhön menee vielä varmaan vuosia.
Jos hiirenkin aivoihin menee vuosia, se tarkoittaa, että esimerkiksi ihmisen koko aivojen kartoitus ei onnistu vielä pitkään aikaan.
Kartta hermosolujen yhteyksistä kertoo, että toukan aivoissa on 93 solutyyppiä.
Yhden hermosolun kuvantaminen kesti noin päivän. Tutkijat kävivät tarkasti aivokuvia läpi yli vuoden ajan löytääkseen yksittäisiä hermosoluja.
Jotta aivosta saa täydellisen kuvauksen solujen tasolla, pitää ne viipaloida, sadoiksi, jopa tuhansiksi yksittäisiksi kudosnäytteiksi.
Sitten kaikki solut on kuvattava elektronimikroskoopilla.
Lopulta solut kootaan uudelleen yhteen malliksi, hermosolu kerrallaan. Työ tehtiin tietokoneohjelman avulla ja se selvitti, kuinka informaatio leviäisi toukan aivoissa.
Tutkijat kartoittivat jokaisen hermosolun ja sen yhteydet. Lisäksi jokainen hermosolu luokiteltiin sen roolin mukaan, joka sillä on aivoissa.
He havaitsivat, että aivojen vilkkaimmat yhteydet olivat niitä, jotka johtivat aivojen oppimiskeskuksen hermosoluihin ja niistä pois.
Kärpäsen toukan aivoissa on selviä vastaavuuksia tekoälyn koneoppimisen arkkitehtuureihin.
Kartassa neuronit ovat pistemäisiä, ja viivat kuvastavat yhteyksiä. Samanlaiset yhteydet on kuvattu lähekkäin. Ympäröivällä kehällä on esimerkkejä erilaisista neuroneista.
TUTKIJAT kehittivät Johns Hopkinsissa yli kolme vuotta koodia, jolla saattoi analysoida toukan aivojen hermoyhteyksiä.
Tuota koodia voivat käyttää nyt kaikki, jotka kartoittavat suurempien eläinten aivoja, Vogelstein sanoo.
Vogelstein pohtii, että joskus tutkijat saavat tehtyä ohjelman, jolla voisi kätevästi tutkia ihmisaivojen mutkikasta neuroverkkoa.
Oikaisu 21. maaliskuuta kello 10.15: Hedelmäkärpäseksi mainittu laji on oikeasti mahlakärpänen tai erikseen banaanikärpänen tässä tapauksessa.