Oamenii de știință au finalizat prima hartă completă a conexiunilor neuronale de la creier la corp la o muscă de fructe, dezvăluind că comportamentul ar putea fi determinat mai mult de munca de echipă neuronală locală decât de un centru de comandă central al creierului. Un nou conectom revoluționar mapează fiecare conexiune neuronală din sistemul nervos central al unei muște de fructe adulte, oferind o viziune fără precedent asupra modului în care creierul și corpul lucrează împreună. Descoperirile sugerează că comportamentele complexe apar din circuite locale distribuite, mai degrabă decât dintr-un singur controler central, oferind noi indicii despre inteligență, mișcare și funcția cerebrală.
Conectomul mapează modul în care neuronii din creierul muștei de fructe se conectează la cei din corpul său prin intermediul echivalentului coloanei vertebrale. O echipă internațională mare de cercetători, condusă de grupuri de la Harvard Medical School și Princeton University, a atins un obiectiv major în neuroștiință prin publicarea unei hărți complete a fiecărei conexiuni între neuroni în sistemul nervos central al unei muște de fructe adulte. Realizarea oferă oamenilor de știință o nouă modalitate de a examina modul în care creierul și corpul lucrează împreună pentru a produce acțiuni complexe, inclusiv mersul și zborul. De asemenea, deschide ușa studiilor mai ample ale regulilor de bază care guvernează sistemele nervoase. "Putem vedea toți neuronii și conexiunile lor ca o unitate completă pentru prima dată și să întrebăm: 'Ce învățăm din asta?'", a declarat co-autorul studiului, Rachel Wilson, profesor de cercetare fundamentală în neurobiologie la Institutul Blavatnik de la HMS.
**Prima Hartă Completă a Conexiunilor Neuronale Creier-Corp la Musca de Fructe**
Noua hartă a conexiunilor neuronale, cunoscută sub denumirea de conectom, extinde un conectom anterior publicat al creierului muștei de fructe prin adăugarea echivalentului coloanei vertebrale a muștei, numit cordon nervos. "Este foarte important să avem un conectom al sistemului nervos central cât mai complet posibil, pentru a putea lega creierul și corpul și a începe să gândim comportamentul holistic", a declarat co-autorul studiului, Wei-Chung Allen Lee, profesor asociat de neurobiologie la HMS și profesor de neurologie la Boston Children's Hospital. Când echipa a studiat conectomul, a descoperit că multe comportamente ale muștei de fructe par a fi dirijate de circuite neuronale locale din părțile relevante ale corpului, mai degrabă decât de o singură zonă centrală de comandă din creier. Conectomul complet este acum disponibil gratuit online, oferind cercetătorilor din întreaga lume o resursă nouă și puternică pentru studiile de neuroștiință. Lucrarea, publicată pe 8 iunie în Nature, a primit sprijin, în parte, din fonduri federale americane, inclusiv inițiativa BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies), National Institutes of Health și National Science Foundation.
**De Ce Contează Muștele de Fructe în Neuroștiință**
Una dintre principalele întrebări nerezolvate din neuroștiință este cum se conectează și se coordonează neuronii din creier și corp pentru a genera comportament. Musca de fructe Drosophila melanogaster este un model valoros pentru explorarea acestei probleme. Muștele de fructe sunt ușor de crescut și de ținut în laborator. Deși sistemul lor nervos conține doar aproximativ 160.000 de neuroni, ele pot efectua totuși comportamente complexe, cum ar fi navigarea, interacțiunea socială, învățarea și reacționarea la semnale senzoriale. Ele au, de asemenea, ceea ce Lee descrie ca fiind un set de instrumente genetice incredibil de sofisticat, care permite oamenilor de știință să acceseze, să controleze și să înregistreze activitatea de la neuroni individuali sau grupuri de neuroni. În 2024, Consorțiul FlyWire, condus de Mala Murthy și Sebastian Seung de la Princeton, care sunt și co-autori ai noului studiu, a publicat un conectom complet al creierului muștei de fructe. În același timp, Lee și colegii săi construiau un conectom al cordonului nervos al muștei de fructe, care controlează picioarele, aripile și alte apendice, procesând în același timp informații senzoriale. "Conectomurile creierului și ale cordonului nervos sunt utile individual, dar până când puteți lega cele două, este greu să înțelegeți cum circulă informația între creier și corp", a declarat co-primul autor Helen Yang, cercetător în neurobiologie în Laboratorul Wilson. Co-primul autor Alexander Bates, de asemenea cercetător în neurobiologie în Laboratorul Wilson, a remarcat că creierul deține majoritatea neuronilor, dar cordonul nervos conține neuroni care sunt "dintre cei mai utili", deoarece sunt legați de senzație, mișcare și funcții care sunt adesea mai ușor de interpretat.
**Conectarea Creierului la Cordonul Nervos**
Echipa FlyWire era dornică să treacă la setul de date BANC (Brain and Neural Cord), imagist la Laboratorul Lee, a declarat co-autorul principal Murthy, profesor de neuroștiințe la Princeton și director al Institutului de Neuroștiințe din Princeton (PNI). "Noul conectom reprezintă un progres major pentru domeniu, cu capacitatea de a înțelege cum circuitele din creier primesc feedback și controlează acțiunile corpului", a spus ea. "Pentru prima dată, putem urmări fluxul informațional de la senzație la acțiune printr-un întreg sistem nervos", a adăugat co-autorul Arie Matsliah de la PNI.
**Cum au Construit Oamenii de Știință Conectomul**
Pentru a crea conectomul, cercetătorii au feliat o singură muscă de fructe în mii de secțiuni subțiri. Apoi au folosit microscopie electronică pentru a captura milioane de imagini care arătau neuroni și conexiunile lor. Instrumentele AI au ajutat la alinierea acelor imagini și la asamblarea lor într-o hartă 3D unificată. Conectomul finalizat arată cum fiecare neuron se conectează cu alți neuroni din creier și cordonul nervos la nivel de sinapsă individuală. Harta nu acoperă întregul corp al muștei, dar cercetătorii au folosit neuroni identificabili și literatura științifică anterioară pentru a lega neuronii sistemului nervos central de neuroni din multe apendice și organe senzoriale, "corporalizând" efectiv conectomul. Lee a declarat că oamenii de știință pot folosi conectomul pentru a dezvolta noi ipoteze pentru experimente de laborator. El compară acest lucru cu a avea informații detaliate de tip Google Maps atunci când planifici o rută. "Conectomul ne-a arătat că majoritatea ipotezelor noastre sunt prea simple. Acum, putem dezvolta ipoteze mai complexe și putem merge mai departe cu experimente pentru a le testa", a spus Lee.
**O Surpriză Despre Cum Este Controlată Mișcarea**
Cercetătorii au folosit deja conectomul pentru a studia controlul motor, în special cum o muscă își mișcă picioarele și alte părți ale corpului. O idee de lungă durată în neuroștiință susține că creierul acționează ca un controler centralizat care decide ce acțiuni va efectua un animal. Conectomul muștei de fructe a indicat un răspuns diferit. Echipa a constatat că controlul motor la muștele de fructe are loc în mare parte la nivel local. De exemplu, mișcarea unui picior este guvernată în principal de circuitele neuronale pentru acel picior. Aceste circuite se conectează apoi cu circuitele pentru celelalte picioare pentru a produce acțiuni coordonate, cum ar fi mersul. Același model a apărut în circuitele legate de aripi, gură și alte părți ale corpului muștei. Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că circuitele motorii se conectează cu alte tipuri de circuite, inclusiv cele din sistemele vizual și endocrin, care furnizează informații suplimentare care ajută la modelarea comportamentului. "Descoperirile noastre sugerează că controlul pentru acțiuni este foarte distribuit în module locale care se leagă și lucrează împreună în moduri diferite", a spus Bates.
**Ce Urmează pentru Cercetarea Conectomului**
Cercetătorii spun că conectomul ar putea susține multe linii de investigație viitoare. Yang compară acest lucru cu Proiectul Genomului Uman, o altă resursă deschisă la scară largă care a fost utilizată în multe moduri diferite. În curând, echipa intenționează să adauge mai multe informații la conectom, inclusiv detalii despre neuropeptide, moleculele mici, asemănătoare proteinelor, pe care neuronii le folosesc pentru a comunica. Conectomul ar putea dezvălui, de asemenea, principii de bază care se aplică sistemelor nervoase la diferite specii, inclusiv la oameni. Bates a declarat că multe descoperiri din neuroștiința muștei de fructe au fost transferate de la nevertebrate la mamifere, inclusiv descoperiri legate de navigație, olfacție și memorie. Un alt obiectiv este "să aducem cartografierea conectomului complet la organisme mult mai complexe", a spus Matsliah. El a remarcat că progresul în AI, calcul și știința colaborativă deschisă face acest tip de cercetare din ce în ce mai posibil. O întrebare importantă acum este dacă controlul neuronal distribuit observat la muștele de fructe se găsește și la alte animale. Lee investighează în prezent această posibilitate la șoareci. "Aș fi șocat dacă acest lucru este unic pentru muscă", a spus Yang. "Nu avem acest nivel de rezoluție la alte animale, dar știm că au multe dintre aceste circuite locale."
**Lecții pentru Inteligența Artificială**
Lucrarea ar putea avea, de asemenea, implicații pentru inteligența artificială. Conectomul oferă date biologice reale care ar putea ghida proiectarea agenților artificiali care se deplasează prin lumi virtuale, sisteme care sunt din ce în ce mai utilizate pentru a studia inteligența și a îmbunătăți antrenamentul AI. "Un lucru care mă uimește întotdeauna este că această muscă mică face o mulțime de lucruri; chiar și cei mai buni agenți AI și roboți ai noștri nu pot face tot ceea ce face o muscă", a spus Yang. "Ar putea exista lecții pentru AI în modul în care este organizat sistemul nervos."