The female larval fly CNS connectome: first draft

لفهم كيفية تفكير الحيوان أو حركته، غالبًا ما ينظر العلماء إلى مخطط الأسلاك في دماغه، والمعروف باسم "الكونكتوم" (المخطط العصبي). يوضح هذا الخريطة كل عصبون على حدٍ، والوصلات المحددة، أو المشابك العصبية، حيث يتواصلون مع بعضهم البعض. تمامًا كما قد يكون لشخصين من نفس العمر والخلفية خط يد مختلف أو طرق متميزة في حل مشكلة ما، يمكن حتى للحيوانات المتطابقة وراثيًا أن تمتلك مخططات أسلاك دماغية مختلفة قليلاً. ولمعرفة أي أجزاء الدماغ مرنة وأيها صلبة، يحتاج الباحثون إلى رسم خرائط لأدمغة العديد من الأفراد لمعرفة مدى تباينها. لفترة طويلة، كان إنشاء هذه الخرائط صعبًا للغاية لأن الهياكل مجهرية والبيانات المطلوبة ضخمة. وقد كانت ذبابة الفاكهة، Drosophila melanogaster، موضوعًا مفضلًا لهذا النوع من العمل منذ فترة طويلة لأن جهازها العصبي صغير بما يكفي ليكون قابلاً للإدارة، ومع ذلك فهو معقد بما يكفي ليكون مثيرًا للاهتمام. وبينما رسم العلماء بالفعل خرائط لأجزاء من دماغ الذبابة البالغة، إلا أن مرحلة اليرقة — الشكل الصغير الشبيه بالدودة الذي يفقس من البيضة — ظلت منطقة غير مستكشفة إلى حد كبير، رغم أنها مرحلة حاسمة يتعلم فيها الدماغ التحكم في الجسم.

لقد أصدر فريق من الباحثين الآن أول مخطط كامل، وإن كان لا يزال تقريبيًا، لكامل الجهاز العصبي المركزي لذبابة فاكهة أنثى. أطلقوا على هذه المجموعة من البيانات اسم "أوكتو" (Octo). وباستخدام نوع قوي من المجهر الإلكتروني يقوم بقطع الأنسجة بدقة متناهية، التقطوا صورة ثلاثية الأبعاد لدماغ اليرقة والحبل العصبي بأكمله. وتعد الصورة الناتجة كتلة هائلة من البيانات، وهي خالية من الفجوات والتشوهات التي غالبًا ما تعيب مثل هذه المشاريع. ومن هذه الصورة الخام، استخدم الفريق الذكاء الاصطناعي لتتبع مسارات العصبونات تلقائيًا، وتحديد مواقع "الميتوكوندريا" (المتقدرات)، وهي مراكز الطاقة الصغيرة داخلها، وتحديد الخلايا الدبقية الداعمة، والتنبؤ بمكان اتصال العصبونات ببعضها البعض. يوفر هذا العمل أول عرض كامل للجهاز العصبي المركزي ليرقة الذبابة، مما يقدم أساسًا للدراسات المستقبلية التي ستقارن بين العديد من الأفراد لفهم كيف تتباين الدوائر الدماغية، وكيف تؤدي هذه التباينات إلى سلوكيات مختلفة.

بدأ الباحثون بتحضير يرقة أنثى واحدة وتصويرها باستخدام مجهر إلكتروني ماسح بـ "حزمة أيونية مركزة محسنة". سمحت هذه التقنية برؤية الأنسجة بدقة تبلغ 8 نانومتر في كل اتجاه، مما مكنهم من التقاط تفاصيل صغيرة مثل الأغشية التي تفصل الخلايا. حجم الصورة النهائي ضخم للغاية، ويحتوي على مليارات من البكسلات ثلاثية الأبعاد الصغيرة التي تمثل مساحة فيزيائية تقارب حجم حبة رمل. ولتفسير هذه البيانات، طبق الفريق سلسلة من البرامج الحاسوبية المصمما للتعرف على الأنماط. لقد أنتجوا ثلاث نسخ مختلفة من خريطة العصبونات؛ تغطي نسخة واحدة الجهاز العصبي بأكم، بما في ذلك أجسام الخلايا حيث تولد العصبونات والألياف الطويلة التي تحمل الإشارات. وتركز النسختان الأخريان تحديدًا على التشابك الكثيف للوصلات في مركز الدماغ، المعروف باسم "النيوروبيل" (المنطقة العصبية). ومن خلال مقارنة الخرائط المولدة حاسوبيًا مقابل عدد قليل من العصبونات التي فحصها خبراء بشريون بعناية يدويًا، وجد الفريق أن الخريطة الأكثر شمولاً، والتي أُنشئت باستخدام طريقة تسمى "شبكات ملء التدفق" (Flood-Filling Networks)، كانت الأكثر دقة في الحفاظ على سلامة العصبونات الفردية دون تقسيمها بالخطأ أو دمج عصبونين مختلفين في واحد.

بعيدًا عن مجرد تتبع الأسلاك، رسم الفريق أيضًا مواقع المشابك العصبية، وهي الوصلات الصغيرة التي ينقل من خلالها عصبون إشارة إلى آخر. قاموا بتدريب نموذج حاسوبي على بضعة أقسام صغيرة محددة يدويًا من الدماغ، حيث حدد العلماء مئات الوصلات بدقة شديدة. وبمجرد أن تعلم النموذج شكل المشبك العصبي في هذا النوع المحدد من الصور، قام بمسح الجهاز العصبي بأكمله وتوقع أكثر من 3.5 مليون اتصال محتمل. ورغم أن هذه التوقعات ليست مثالية بعد وتتطلب تحققًا بشريًا، إلا أنها توفر مسودة أولى لشبكة الاتصال بأكملها. كما رسم الفريق مواقع الميتوكوندريا، وهي العضيات المنتجة للطاقة داخل الخلايا، والخلايا الدبقية التي تحيط بالعصبونات وتدعمها. وتعد هذه الخرائط الإضافية مهمة لأن شكل وموقع الميتوكوندريا يمكن أن يساعد العلماء في التحقق مما إذا كان العصبون سليمًا، كما توفر الخلايا الدبقية سياقًا لكيفية تنظيم الدماغ.

يؤكد المؤلفون أن هذا الإصدار هو نقطة انطلاق وليس منتجًا نهائيًا. فالخرائط الحالية غير مراجعة إلى حد كبير، مما يعني أنه بينما قامت الحواسيب بالعمل الشاق في تتبع الهياكل، لم يقم البشر بعد بفحص كل خط بحثًا عن الأخطاء. وبما أن إصلاح مجموعة البيانات بأكملها يدويًا قد يستغرق عقودًا من العمل، يأمل الفريق أن يلهم إصدارهم تطوير أدوات حاسوبية أفضل يمكنها استخدام المعرفة البيولوجية لتصحيح الأخطاء تلقائيًا. فعلى سبيل المثال، معرفة أن الميتوكوندريا توجد عادةً بالقرب من بداية الاتصال يمكن أن تساعد برنامج الحاسوب في تحديد ما إذا كان الرابط المكتشف حقيقيًا أم خطأً. وبالرغم من هذه القيود، فإن مجموعة البيانات تعد علامة فارقة؛ فهي المرة الأولى التي يتم فيها إعادة بناء الجهاز العصبي المركزي لذبابة اليرقة بالكامل في قطعة واحدة، وهي ثاني دماغ يتم رسم خرائط له بالكامل ليرقة أنثى في طورها الأول. ومن خلال جعل جميع الصور الخام، والخرائط المولدة حاسوبيًا، والأدوات البرمجية متاحة للجمهور، قدم الباحثون للمجتمع العلمي موردًا جديدًا وقويًا. وهذا يسمح لعلماء آخرين بالبدء في استكشاف كيف يتحكم دماغ اليرقة في جسمها، وكيف تحد المعلومات الحسية من الحركة، وكيف تختلف أسلاك كل ذبابة عن الأخرى، مما يمهد الطريق لفهم أعمق لكيفية تطور الدوارات العصبية وعملها.