Fascynujące badania mózgu muchy, które rzucą światło na ludzki proces myślowy

Naukowcy po raz pierwszy zmapowali mózg muchy z tak niespotykaną dotąd dokładnością, iż udało im się zidentyfikować położenie, kształt oraz wzajemne połączenia każdej z 130 000 komórek nerwowych, które tworzą ten niewielki organ, a także 50 milionów synaps między nimi. Jest to najdokładniejsza analiza mózgu dorosłego zwierzęcia, jaką kiedykolwiek przeprowadzono, co stanowi przełom w badaniach nad zrozumieniem mechanizmów działania układów nerwowych.

Jednakże, jak podkreślają badacze, odkrycia te mogą mieć wpływ nie tylko na naukę o owadach. Choć ludzki mózg jest milion razy większy od mózgu muszki owocowej, podstawowe zasady działania mogą być podobne. Dlatego szczegółowe badania nad strukturą układu nerwowego owadów mogą pomóc nam lepiej zrozumieć funkcjonowanie również bardziej złożonych organizmów, w tym nas samych.

— Ten schemat połączeń, znany jako konektom, może pomóc wyjaśnić, w jaki sposób niewielka sieć neuronów pozwala nam na tak złożone interakcje ze światem zewnętrznym — tłumaczy doktor Gregory Jefferis z Laboratorium Biologii Molekularnej przy Medical Research Council w Cambridge, jeden z liderów projektu. — Dzięki temu odkryciu możemy lepiej zrozumieć, jak przebiega proces rozpoznawania twarzy czy przetwarzania sygnałów słuchowych, co stanowi klucz do wyjaśnienia mechanizmów myślenia.

Opublikowane wyniki w prestiżowym czasopiśmie „Nature” prezentują obraz złożonego, wielowarstwowego układu połączeń neuronowych, którego kształt przypomina skomplikowaną sieć przewodów elektrycznych. Każdy obwód został precyzyjnie zlokalizowany — te odpowiedzialne za ruch znajdują się u podstawy mózgu, podczas gdy neurony przetwarzające informacje wizualne, które wymagają największych zasobów obliczeniowych, umiejscowione są z boku.

— Posiadanie kompletnego konektomu owada z tak dużą liczbą neuronów to zdumiewający wyczyn techniczny, który toruje drogę do mapowania większych mózgów, jak te u myszy, a być może za kilka dekad — także naszego — mówi dr Lucía Prieto-Godino z Instytutu Francisa Cricka w Londynie, niezwiązana bezpośrednio z projektem. Dotychczas badania takie przeprowadzono jedynie na znacznie prostszych organizmach, jak robaki z 300 neuronami.

Kluczem do stworzenia tej mapy było pocięcie mózgu muchy na ponad 7000 ultra cienkich plastrów, a następnie sfotografowanie każdego z nich z niespotykaną rozdzielczością. Zespół z Uniwersytetu Princeton, będący współtwórcą badania, zastosował sztuczną inteligencję, by odwzorować strukturę neuronów i połączeń. Choć algorytmy okazały się pomocne, naukowcy musieli manualnie skorygować ponad trzy miliony błędów, co tylko uwydatnia skalę wyzwania, przed jakim stanęli.

— Obecne dane przypominają coś w rodzaju Map Google dla mózgu — tłumaczy Philipp Schlegel z Laboratorium Biologii Molekularnej. — To surowy schemat, który sam w sobie nie jest w pełni użyteczny. Dopiero przypisanie funkcji każdemu z połączeń oraz zrozumienie przepływu informacji w sieci pozwoli odkryć, w jaki sposób mózg przetwarza bodźce zmysłowe i reaguje na otoczenie.

Konektom mózgu muchy, dostępny dla wszystkich badacza, ma szansę stać się inspiracją do kolejnych odkryć w neuronaukach. Dr Mala Murthy, współdyrektorka projektu, przewiduje, iż w ciągu najbliższych lat może on doprowadzić do lawiny nowych badań, pozwalając zrozumieć, jak poszczególne elementy mózgu współpracują przy realizacji złożonych procesów, takich jak ruch, przetwarzanie bodźców wizualnych czy zapamiętywanie.

Jednym z najbardziej fascynujących odkryć jest wyjaśnienie, dlaczego muchy są tak trudne do złapania. Ich układ wzrokowy wykrywa choćby najmniejsze ruchy, natychmiast przekazując sygnał do neuronów odpowiedzialnych za skok. najważniejsze jest jednak to, iż muchy dosłownie „skaczą bez myślenia” — odpowiedź ta jest szybsza niż proces przetwarzania świadomej reakcji, co wyjaśnia ich zaskakującą skuteczność w unikaniu zagrożeń.

Warto podkreślić, iż choć badania nad złożonymi organizmami, takimi jak ludzie, wciąż pozostają daleko przed nami, to naukowcy są optymistyczni. Uważają, iż z pomocą rozwijających się technologii, takich jak sztuczna inteligencja i obrazowanie w ultra wysokiej rozdzielczości, jesteśmy w stanie opracować konektom ludzkiego mózgu w ciągu najbliższych 30 lat.

— Każdy postęp w badaniach nad konektomem owadów zbliża nas do lepszego zrozumienia nie tylko podstawowych mechanizmów działania układu nerwowego, ale i samej istoty myślenia oraz świadomości — podsumowuje dr Jefferis.

Zaawansowane mapowanie mózgu muchy, zrealizowane przez międzynarodowe konsorcjum FlyWire, stanowi zatem początek nowej ery w neuronaukach — ery, w której badania nad tak małym organem mogą zrewolucjonizować naszą wiedzę o własnych umysłach.