Istraživači kreiraju prvu mapu ranog vizuelnog sistema jedne životinje

Istraživači kreiraju prvu mapu ranog vizuelnog sistema jedne životinje

Neuronaučnici sa Instituta Flatiron u Njujorku i njihove kolege napravili su veliki proboj koristeći jedan od najmanjih mozgova na svetu.

Koristeći jonski snop, elektronski mikroskop i mnogo strpljenja, neuronaučnici su mapirali ceo rani vizuelni sistem – od očiju koje primaju svetlost do neurona koji obrađuju informacije – za parazitsku osu manju od zrna kuhinjske soli. Ovaj podvig predstavlja prvi put da su naučnici u potpunosti rekonstruisali takav sistem na sinaptičkom nivou iz jednog primerka bilo koje životinjske vrste, izveštavaju neuronaučnici u Current Biology.

Iako mala osa ima mali mozak (sa samo 8.600 ćelija u poređenju sa 171 milijardom tipičnog čoveka), ovaj mali insekt je i dalje sposoban za složena ponašanja kao što je let. „Neverovatno je da još uvek ima toliko složenosti u tako malom mozgu“, kaže vodeći autor studije Nikolas Čua, bivši analitičar istraživanja u Centru za računarsku neuronauku (CCN) Instituta Flatiron, koji je sada diplomirani student Univerziteta Kolumbija.

Ispostavilo se da je mozak ose „veoma sličan većem mozgu, ali jednostavniji i manji“, kaže stariji autor studije Dmitrij Čklovski, vođa grupe u CCN. Istraživači sada mapiraju ceo mozak ose, kaže on. Kredit: Simons fondacija

„Misli se da su principi po kojima neuroni i neuronska kola funkcionišu isti između nas i drugih životinja“, kaže on, „i zato mislimo da možemo uzeti ono što naučimo od insekata i primeniti ga na ljudski mozak .“

Razumevanje mozga buba takođe bi moglo pomoći istraživačima da poboljšaju alate veštačke inteligencije, kaže Chklovskii. „Kada su veštačke neuronske mreže prvi put stvorene pre 70 godina, bile su inspirisane znanjem o neuronima u mozgu“, kaže on. „Ali naše znanje je od tada značajno napredovalo. Sposobnosti ljudskog mozga prevazilaze mogućnosti veštačke inteligencije, a znamo da je izgrađen po različitim pravilima, tako da mora da postoji neki tajni sos koji biologija ima koji nam može pomoći da izgradimo bolju veštačku inteligenciju. “

Grupa Čklovskog u CCN-u radila je na projektu u saradnji sa grupama Haralda Hesa sa istraživačkog kampusa Janelia Medicinskog instituta Hauard Hjuz i Alekseja Polilova sa Moskovskog državnog univerziteta.

Proučavanje najosnovnijih mozgova u životinjskom carstvu olakšava identifikaciju mehanizama i pravila koja upravljaju složenim ponašanjem, kaže Čklovski. Parazitska osa Megaphragma viggianii je idealan subjekt za takav zadatak. Ova mikroskopska osa duga je samo oko 200 mikrometara, ali može da leti i traži jaja insekata zvanih tripsi, u kojima ose polažu sopstvena jaja.

Vrsta je morala drastično da se smanji da bi bila tako mala: neke od ćelija osa se čak odriču jezgra da bi uštedele prostor. Voćne mušice, omiljena tema biologa, dugačke su oko 3.000 mikrometara i imaju više od 10 puta više ćelija u mozgu od osa.

„Vočna mušica je kao slon u poređenju sa ovim“, kaže Čklovski. „Celo ovo stvorenje stane u oko voćne mušice.

Neuronaučnici su se suočili sa velikim izazovom kada su mapirali ceo rani vizuelni sistem od očiju voćne mušice pa sve do neurona koji obavljaju početnu vizuelnu obradu. Ranije su naučnici koristili nekoliko različitih primeraka za izradu takvih mapa. Taj pristup je, međutim, značio da se nije sve poklopilo zbog varijacija između pojedinačnih primeraka.

Umesto toga, neuronaučnici su koristili samo jednu osu. Njegove ćelije su bile premale da bi se slikale pomoću svetlosti, pa su ispalili snop elektrona na insekta i snimili kako se elektroni raspršuju. Nakon svakog prolaza, istraživači su koristili snop jona da obrijaju tanak sloj sa insekta, otkrivajući dublji nivo glave insekta.

Zatim su istraživači mapirali moždane ćelije ose i veze između njih, nazvane sinapse. To su morali da rade uglavnom ručno, što je bio neverovatno naporan poduhvat. (Za buduće studije, počeli su da implementiraju alat koji pokreće AI koji ubrzava proces.)

Koristeći ovu metodu, neuronaučnici su stekli veću zahvalnost za to kako ose vide i obrađuju vizuelne informacije. Na primer, otkrili su kako različiti delovi očiju osa doprinose vidu stvorenja i otkrili da ose mogu da otkriju polarizaciju svetlosti – nešto što ranije nije bilo poznato o ovoj vrsti.

Sledeći korak za neuronaučnike je da mapiraju ostatak mozga ose kako bi otkrili ceo međusobno povezani okvir koji insekt koristi za složeno ponašanje. „Nakon toga, želimo da primenimo principe koje ćemo naučiti iz ovih jednostavnijih sistema sa golim kostima na složenije mozgove poput našeg“, kaže Čklovski