Compleet brein van mannelijke fruitvlieg in kaart gebracht met AI

In de neurowetenschap is het gedetailleerd in kaart brengen van alle neurale verbindingen — ook wel connectomica genoemd — een van de grootste uitdagingen. Een langdurige samenwerking tussen HHMI Janelia Research Campus, Google Research en diverse wetenschappelijke partners heeft geleid tot een belangrijke mijlpaal: de eerste volledige hersenkaart van een volwassen mannelijke fruitvlieg. Met behulp van kunstmatige intelligentie zijn meer dan 166.000 neuronen en bijna 12.000 verschillende celtypen gereconstrueerd.

Van tweedimensionale beelden naar 3D-reconstructie

Om de enorme hoeveelheid neurale verbindingen te visualiseren, sneden de onderzoekers het brein en het ventrale zenuwstelsel (vergelijkbaar met het menselijke ruggenmerg) in flinterdunne plakjes. Geavanceerde microscopen legden miljoenen afzonderlijke 2D-beelden vast. Vervolgens voegden AI-algoritmen deze beelden samen tot een nauwkeurig driedimensionaal model.

Dankzij deze technologie kunnen wetenschappers exact achterhalen hoe zintuiglijke prikkels, waargenomen via de ogen en de proboscis (de zuigsnavel van de vlieg), worden omgezet in motorische reacties en specifiek gedrag.

Sekseverschillen in het zenuwstelsel

De nieuwe dataset bouwt voort op een eerdere reconstructie van het brein van een vrouwelijke fruitvlieg. Door de twee kaarten te vergelijken, krijgen onderzoekers meer inzicht in hoe het zenuwstelsel verschilt tussen de seksen.

Hoewel het overgrote deel van de neuronen bij mannetjes en vrouwtjes identiek is (isomorf), ontdekten de onderzoekers ook sekse-specifieke en zogeheten dimorfe neuronen. Dimorfe neuronen komen bij beide geslachten voor, maar leggen verbindingen met verschillende naburige cellen. Een voorbeeld hiervan is het neurontype AOTU012, dat betrokken is bij het verwerken van smaak- en zintuiglijke signalen. Hoewel dit type in beide geslachten aanwezig is, maakt het bij mannelijke vliegen verbinding met heel andere neurale netwerken dan bij vrouwelijke exemplaren.

Inzicht in gedrag en beweging

Naast de anatomie brengt de kaart functionele netwerken aan het licht, zoals de verbindingen tussen visuele neuronen en de motorische neuronen die beweging aansturen. Een specifiek voorbeeld is het LoVP92-neuron, dat zich bevindt in een regio die ook wel de 'love spot' wordt genoemd en een directe rol speelt bij baltsgedrag.

Samen met de publicatie van de hersenkaart zijn drie begeleidende studies verschenen die dieper ingaan op het visuele systeem, smaakverwerking en sociaal gedrag. De resultaten vormen volgens het team een fundamentele bouwsteen voor toekomstig neurowetenschappelijk onderzoek naar complexere organismen.