अंतरराष्ट्रीय फ्लाईवायर कंसोर्टियम ने वयस्क फ्रूट फ्लाई के मस्तिष्क के संपूर्ण 1,40,000 न्यूरॉन कनेक्टोम का नक्शा तैयार किया

तंत्रिका वैज्ञानिकों, कंप्यूटर वैज्ञानिकों और नागरिक स्वयंसेवकों के एक अंतरराष्ट्रीय गठबंधन, जिसे फ्लाईवायर कंसोर्टियम (FlyWire Consortium) के नाम से जाना जाता है, ने एक वयस्क फ्रूट फ्लाई (फल मक्खी) के मस्तिष्क का पहला पूर्ण न्यूरॉन-दर-न्यूरॉन सिनैप्टिक वायरिंग आरेख—या कनेक्टोम—पेश किया है। प्रिंसटन विश्वविद्यालय, कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय और एमआरसी लेबोरेटरी ऑफ मॉलिक्यूलर बायोलॉजी के शोधकर्ताओं के सह-नेतृत्व में नेचर (Nature) पत्रिका में नौ शोध पत्रों के संग्रह के रूप में प्रकाशित यह एटलस वयस्क मादा ड्रोसोफिला मेलानोगास्टर के मस्तिष्क के सभी 1,39,255 न्यूरॉन्स और 5.45 करोड़ सिनैप्स को दर्शाता है।

हालांकि एक फ्रूट फ्लाई का मस्तिष्क एक मिलीमीटर से भी कम चौड़ा होता है—खसखस के दाने से भी छोटा—फिर भी इसमें लगभग 149.2 मीटर की जटिल जैविक वायरिंग समाहित होती है जो उड़ान, दृष्टि, स्थानिक नेविगेशन, स्मृति और प्रणय गीतों को नियंत्रित करने में सक्षम है। फ्लाईवायर की इस उपलब्धि से पहले, केवल नेमाटोड कृमि सी. एलिगेंस (302 न्यूरॉन्स), समुद्री कृमि प्लैटिनेरिस डुमेरिली और फ्रूट फ्लाई के लार्वा (3,016 न्यूरॉन्स) का ही पूर्ण मस्तिष्क कनेक्टोम तैयार किया जा सका था।

इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, एआई सेगमेंटेशन और वैश्विक प्रूफरीडिंग

इस नक्शे का निर्माण 2018 में हॉवर्ड ह्यूजेस मेडिकल सेंटर के जेनेलिया रिसर्च कैंपस में डेवी बॉक और उनके सहयोगियों द्वारा एकत्र किए गए डेटासेट से शुरू हुआ, जिन्होंने एक मादा मक्खी के मस्तिष्क को 7,050 अति-पतले 40-नैनोमीटर टुकड़ों में काटा और हाई-स्पीड ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके उनकी तस्वीरें लीं। उन 2.1 करोड़ उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियों को त्रि-आयामी आरेख में बदलने के लिए प्रिंसटन के प्रोफेसर सेबेस्टियन सेउंग और माला मूर्ति ने मशीन-लर्निंग एल्गोरिदम विकसित किए।

चूंकि अकेले कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) सूक्ष्म अंतरालों को ट्रेस करने में अभी भी गलतियां करती है, इसलिए प्रिंसटन टीम ने एक खुला सहयोगी मंच बनाया जिससे दुनिया भर की 140 से अधिक प्रयोगशालाओं के 287 शोधकर्ताओं—और नागरिक-विज्ञान गेमर्स—को प्रत्येक न्यूरॉन को मैन्युअल रूप से जांचने और एनोटेट करने में मदद मिली। कैम्ब्रिज में ग्रेगरी जेफरिस और फिलिप श्लेगल के नेतृत्व में सहयोगियों ने मस्तिष्क के सर्किट को 8,453 अलग-अलग कोशिका प्रकारों में वर्गीकृत किया, जिनमें से आधे से अधिक (4,581) विज्ञान के लिए पहले अज्ञात थे।

“यदि हम यह समझना चाहते हैं कि मस्तिष्क कैसे काम करता है, तो हमें इस बात की यांत्रिक समझ होनी चाहिए कि सभी न्यूरॉन्स एक साथ कैसे जुड़ते हैं और आपको सोचने देते हैं। वयस्क मक्खी का पूर्ण कनेक्टोम होना तंत्रिका विज्ञान के लिए परिवर्तनकारी है।” — सेबेस्टियन सेउंग, तंत्रिका विज्ञान और कंप्यूटर विज्ञान के प्रोफेसर, प्रिंसटन विश्वविद्यालय

मस्तिष्क-व्यापी संकेतों का सिमुलेशन और भविष्य के स्तनधारी मॉडल

नेचर पैकेज में शामिल सहयोगी अध्ययन पहले से ही इस ओपन-एक्सेस डेटाबेस की भविष्य कहने की क्षमता को प्रदर्शित करते हैं। एक प्रयोग में, प्रिंसटन के शोधकर्ताओं ने पूरे कनेक्टोम का एक कम्प्यूटेशनल मॉडल बनाया जिसने सटीक रूप से अनुमान लगाया कि मीठे या कड़वे स्वाद रिसेप्टर्स को उत्तेजित करने पर कौन से मोटर सर्किट सक्रिय होंगे, जो लाइव न्यूरोइमेजिंग रिकॉर्डिंग के साथ 90 प्रतिशत से अधिक मेल खाता था। अन्य शोध पत्रों में रंग और गति की पहचान के साथ-साथ मक्खी को रुकने का आदेश देने वाले विशेष 'हॉल्ट' न्यूरॉन्स का भी पता लगाया गया।

चूंकि ड्रोसोफिला मनुष्यों के साथ अपने डीएनए का लगभग 60 प्रतिशत हिस्सा साझा करती है—जिसमें मानव रोग से जुड़े तीन-चौथाई ज्ञात जीन शामिल हैं—शोधकर्ताओं का कहना है कि यह कनेक्टोम न्यूरोलॉजिकल विकारों के अध्ययन और ऊर्जा-कुशल एआई आर्किटेक्चर को प्रेरित करने के लिए एक अनिवार्य ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। फ्लाईवायर में विकसित तकनीकों के आधार पर, वैज्ञानिक अब चूहे के संपूर्ण मस्तिष्क कनेक्टोम को मैप करने का लक्ष्य बना रहे हैं, जिसमें लगभग 7 करोड़ न्यूरॉन्स होते हैं।

Sources

• Nature Portfolio
• Princeton Neuroscience Institute