ศึกษาเกี่ยวกับแมลง

ทีมนานาชาติที่นำโดย Johns Hopkins University และ University of Cambridge ได้จัดทำแผนภาพที่มีรายละเอียดน่าทึ่งซึ่งติดตามทุกการเชื่อมต่อของระบบประสาทในสมองของตัวอ่อนแมลงวันผลไม้ ซึ่งเป็นแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ตามแบบฉบับที่มีสมองเทียบเท่ากับมนุษย์ ผลงานนี้น่าจะสนับสนุนการวิจัยสมองในอนาคตและสร้างแรงบันดาลใจให้กับสถาปัตยกรรมการเรียนรู้ของเครื่องใหม่ ปรากฏอยู่ในวารสารScience แล้ว วันนี้ Joshua T. Vogelstein ผู้เขียนอาวุโส วิศวกรด้านชีวการแพทย์ของ Johns Hopkins ซึ่งเชี่ยวชาญในโครงการที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล ซึ่งรวมถึงคอนเนกโตมิกส์ กล่าวว่า "หากเราต้องการเข้าใจว่าเราเป็นใครและเราคิดอย่างไร ส่วนหนึ่งคือการเข้าใจกลไกของความคิด" ของการเชื่อมต่อระบบประสาท "และกุญแจสำคัญคือการรู้ว่าเซลล์ประสาทเชื่อมต่อกันอย่างไร" ความพยายามครั้งแรกในการสร้างแผนที่สมอง การศึกษา 14 ปีของพยาธิตัวกลมเริ่มขึ้นในปี 1970 ส่งผลให้ได้แผนที่บางส่วนและได้รับรางวัลโนเบล ตั้งแต่นั้นมา การเชื่อมต่อบางส่วนได้รับการแมปในหลายระบบ รวมถึงแมลงวัน หนู และแม้แต่มนุษย์ แต่โดยทั่วไปแล้ว การสร้างใหม่เหล่านี้เป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของสมองทั้งหมดเท่านั้น มีการสร้างคอนเนกโทมที่ครอบคลุมสำหรับสปีชีส์ขนาดเล็กหลายสปีชีส์ที่มีเซลล์ประสาทไม่กี่ร้อยถึงสองสามพันตัวในร่างกายของพวกมัน เช่น พยาธิตัวกลม ตัวอ่อนของแมลงทะเล และตัวอ่อนของหนอนแอนเนลิดในทะเล การเชื่อมโยงของตัวอ่อนแมลงวันผลไม้ ตัวอ่อนของแมลงหวี่เมลาโนกาสเตอร์ ของทีมนี้ เป็นแผนที่ที่สมบูรณ์ที่สุดและเป็นแผนที่ที่ขยายใหญ่ที่สุดของสมองแมลงทั้งหมดที่เคยสร้างมา ประกอบด้วยเซลล์ประสาท 3,016 เซลล์และทุกการเชื่อมต่อระหว่างกัน: 548,000 "เป็นเวลากว่า 50 ปีแล้ว และนี่คือการเชื่อมต่อสมองครั้งแรก มันเป็นธงบนผืนทรายที่เราสามารถทำได้" โวเกลสไตน์กล่าว "ทุกอย่างทำงานจนได้สิ่งนี้" การทำแผนที่สมองทั้งหมดนั้นยากและใช้เวลานานมาก แม้จะใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดก็ตาม การได้ภาพระดับเซลล์ที่สมบูรณ์ของสมองจำเป็นต้องแบ่งสมองออกเป็นชิ้นตัวอย่างเนื้อเยื่อจำนวนหลายร้อยหรือหลายพันชิ้น ซึ่งทั้งหมดนี้ต้องถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ก่อนที่กระบวนการอันอุตสาหะในการสร้างชิ้นส่วนเหล่านั้นทั้งหมด เซลล์ประสาทต่อเซลล์ประสาทให้สมบูรณ์ ภาพที่ถูกต้องของสมอง ใช้เวลากว่าทศวรรษในการทำเช่นนั้นกับแมลงวันผลไม้ตัวน้อย สมองของหนูมีขนาดใหญ่กว่าแมลงวันผลไม้ถึง 1 ล้านเท่า หมายความว่าโอกาสที่สมองของหนูจะจับคู่กับสิ่งใดๆ ที่ใกล้เคียงกับสมองมนุษย์นั้นไม่น่าจะเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้นี้ หรืออาจไม่ใช่แม้แต่ในช่วงชีวิตของเรา ทีมงานตั้งใจเลือกตัวอ่อนของแมลงวันผลไม้เพราะสำหรับ แมลง แล้ว สปีชีส์นี้มีส่วนทางชีววิทยาพื้นฐานของมันกับมนุษย์มาก รวมถึงมีพื้นฐานทางพันธุกรรมที่เทียบเคียงได้ นอกจากนี้ยังมีพฤติกรรมการเรียนรู้และการตัดสินใจที่หลากหลาย ทำให้มันเป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบที่มีประโยชน์ในด้านประสาทวิทยาศาสตร์ และเพื่อวัตถุประสงค์ในการใช้งานจริง สมองที่มีขนาดค่อนข้างเล็กสามารถถ่ายภาพได้ และสร้างวงจรของมันขึ้นมาใหม่ภายในกรอบเวลาที่สมเหตุสมผล ถึงกระนั้นก็ตาม งานดังกล่าวใช้เวลาถึง 12 ปีจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์และจอห์น ฮอปกินส์ การสร้างภาพเพียงอย่างเดียวใช้เวลาประมาณหนึ่งวันต่อหนึ่งเซลล์ประสาท นักวิจัยของเคมบริดจ์สร้างภาพความละเอียดสูงของสมองและศึกษาด้วยตัวเองเพื่อค้นหาเซลล์ประสาทแต่ละตัว ติดตามเซลล์แต่ละเซลล์อย่างจริงจังและเชื่อมโยงการเชื่อมต่อแบบซินแนปติก Cambridge ส่งมอบข้อมูลให้กับ Johns Hopkins ซึ่งทีมใช้เวลากว่าสามปีโดยใช้รหัสดั้งเดิมที่พวกเขาสร้างขึ้นเพื่อวิเคราะห์การเชื่อมต่อของสมอง ทีม Johns Hopkins พัฒนาเทคนิคเพื่อค้นหากลุ่มของเซลล์ประสาทตามรูปแบบการเชื่อมต่อที่ใช้ร่วมกัน จากนั้นจึงวิเคราะห์ว่าข้อมูลสามารถแพร่กระจายผ่านสมองได้อย่างไร ในท้ายที่สุด ทีมงานทั้งหมดได้จัดทำแผนภูมิเซลล์ประสาททุกเซลล์และทุกการเชื่อมต่อ และจัดหมวดหมู่เซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ตามบทบาทที่มีในสมอง พวกเขาพบว่าวงจรที่ยุ่งที่สุดของสมองคือวงจรที่นำไปสู่และออกจากเซลล์ประสาทของศูนย์การเรียนรู้ วิธีการที่ Johns Hopkins พัฒนาขึ้นใช้ได้กับโครงการเชื่อมต่อสมองใดๆ และรหัสของพวกเขาก็พร้อมสำหรับใครก็ตามที่พยายามทำแผนที่สมองของสัตว์ที่มีขนาดใหญ่กว่านั้น Vogelstein กล่าว และเสริมว่าแม้จะมีความท้าทาย นักวิทยาศาสตร์คาดว่าจะใช้เมาส์ ซึ่งอาจเป็นไปได้ภายใน ทศวรรษหน้า ทีมอื่นกำลังทำงานเกี่ยวกับแผนที่สมองของแมลงวันผลไม้ตัวเต็มวัยแล้ว ผู้ร่วมก่อตั้ง Benjamin Pedigo ผู้สมัครระดับปริญญาเอกของ Johns Hopkins สาขาวิศวกรรมชีวการแพทย์ คาดว่ารหัสของทีมจะช่วยเปิดเผยการเปรียบเทียบที่สำคัญระหว่างการเชื่อมต่อในสมองของผู้ใหญ่และตัวอ่อน เนื่องจากมีการสร้างคอนเนกโทมสำหรับตัวอ่อนจำนวนมากขึ้นและจากสปีชีส์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง Pedigo คาดว่าเทคนิคการวิเคราะห์ของพวกเขาจะนำไปสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับรูปแบบต่างๆ ของการเดินสายในสมอง การทำงานของตัวอ่อนแมลงวันผลไม้แสดงให้เห็นคุณสมบัติของวงจรที่ชวนให้นึกถึงสถาปัตยกรรมแมชชีนเลิร์นนิงที่โดดเด่นและทรงพลัง ทีมงานคาดว่าการศึกษาอย่างต่อเนื่องจะเปิดเผยหลักการคำนวณมากยิ่งขึ้น และอาจสร้างแรงบันดาลใจให้กับระบบปัญญาประดิษฐ์ใหม่ๆ "สิ่งที่เราเรียนรู้เกี่ยวกับรหัสสำหรับแมลงวันผลไม้จะมีผลต่อรหัสสำหรับมนุษย์" Vogelstein กล่าว "นั่นคือสิ่งที่เราต้องการเข้าใจ - วิธีการเขียนโปรแกรมที่นำไปสู่เครือข่ายสมองของมนุษย์"