Konsorsium Internasional FlyWire Petakan Konektom Utuh 140.000 Neuron Otak Lalat Buah Dewasa

Sebuah koalisi internasional ilmuwan saraf, ilmuwan komputer, dan sukarelawan warga yang dikenal sebagai Konsorsium FlyWire telah mengungkap diagram pengkabelan sinaptik neuron demi neuron lengkap pertama—atau konektom—dari otak lalat buah dewasa. Diterbitkan sebagai koleksi sembilan makalah bersejarah di jurnal Nature dan dipimpin bersama oleh peneliti di Universitas Princeton, Universitas Cambridge, serta Laboratorium Biologi Molekuler Medical Research Council (MRC) Inggris, atlas ini memetakan seluruh 139.255 neuron dan 54,5 juta sinapsis di dalam otak betina dewasa Drosophila melanogaster.

Meskipun otak lalat buah berukuran lebar kurang dari satu milimeter—lebih kecil daripada biji poppy—otak tersebut memuat sekitar 149,2 meter jaringan biologis rumit yang mampu mengatur manuver terbang, penglihatan binokular, navigasi spasial, memori asosiatif, perawatan diri, hingga nyanyian kawin. Sebelum tonggak FlyWire, satu-satunya organisme dengan konektom seluruh otak yang terpetakan sepenuhnya adalah cacing nematoda Caenorhabditis elegans (302 neuron), cacing laut Platynereis dumerilii, dan larva lalat buah (3.016 neuron).

Mikroskopi Elektron, Segmentasi AI, dan Pemeriksaan Global

Penyusunan peta ini dimulai dari kumpulan data mentah yang diambil pada 2018 oleh Davi Bock dan rekan-rekannya di Kampus Penelitian Janelia milik Howard Hughes Medical Institute, yang memotong satu otak lalat betina menjadi 7.050 irisan ultra-tipis setebal 40 nanometer dan memotretnya dengan mikroskop elektron transmisi berkecepatan tinggi. Untuk mengubah 21 juta mikrograf resolusi tinggi tersebut menjadi diagram tiga dimensi, profesor Princeton Sebastian Seung dan Mala Murthy mengembangkan algoritma pembelajaran mesin guna melacak membran sel secara otomatis.

Karena kecerdasan buatan saja masih membuat kesalahan pelacakan pada celah mikroskopis, tim Princeton membangun platform kolaboratif terbuka yang memungkinkan 287 peneliti di lebih dari 140 laboratorium di seluruh dunia—bersama para pemain gim sains warga—untuk memeriksa dan memberi anotasi setiap neuron secara manual. Kolaborator yang dipimpin oleh Gregory Jefferis di Cambridge dan Philipp Schlegel mengklasifikasikan sirkuit otak tersebut ke dalam 8.453 jenis sel berbeda, более dari separuhnya (4.581) belum pernah dideskripsikan sebelumnya.

“Jika kita ingin memahami cara kerja otak, kita memerlukan pemahaman mekanistik tentang bagaimana semua neuron saling terhubung dan memungkinkan Anda berpikir. Memiliki konektom lalat dewasa yang lengkap sangat transformatif bagi ilmu saraf.” — Sebastian Seung, Profesor Ilmu Saraf dan Ilmu Komputer di Universitas Princeton

Simulasi Sinyal Seluruh Otak dan Peta Mamalia Masa Depan

Studi pendamping dalam paket publikasi Nature telah membuktikan kekuatan prediktif basis data akses terbuka tersebut. Dalam satu eksperimen, peneliti Princeton membangun model komputasi seluruh konektom yang secara akurat memprediksi sirkuit motorik mana yang akan aktif ketika reseptor rasa manis atau pahit distimulasi, mencapai kecocokan lebih dari 90 persen dengan rekaman pencitraan saraf langsung. Makalah lain melacak jalur visual lengkap untuk deteksi warna dan gerakan serta neuron 'berhenti' spesifik yang memerintahkan lalat berhenti berjalan.

Karena Drosophila berbagi sekitar 60 persen DNA-nya dengan manusia—termasuk tiga perempat gen yang berkaitan dengan penyakit manusia yang telah diketahui—para peneliti menyatakan konektom ini menyediakan cetak biru penting untuk mempelajari gangguan neurologis serta menginspirasi arsitektur kecerdasan buatan yang hemat energi. Berbekal perangkat yang disempurnakan dalam FlyWire, para ahli neurobiologi kini membidik pemetaan konektom otak tikus secara utuh yang memiliki sekitar 70 juta neuron.

Sources

• Nature Portfolio
• Princeton Neuroscience Institute