Η χαρτογράφηση του πρώιμου οπτικού συστήματος στις σφήκες παρέχει τεχνητή νοημοσύνη και νευρικές γνώσεις

περίληψη: Οι νευροεπιστήμονες πέτυχαν ένα πρωτοποριακό επίτευγμα χαρτογραφώντας το πρώιμο οπτικό σύστημα μιας παρασιτικής σφήκας, η οποία είναι μικρότερη από έναν κόκκο αλατιού.

Χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές απεικόνισης, ανακατασκεύασαν ολόκληρο το σύστημα σε συναπτικό επίπεδο, για πρώτη φορά για κάθε ζώο. Παρά το μικροσκοπικό του μέγεθος, ο εγκέφαλος της σφήκας παρουσίαζε τεράστια πολυπλοκότητα, με λειτουργίες και νευρωνικά κυκλώματα που παραλληλίζονται με μεγαλύτερους εγκεφάλους.

Αυτή η έρευνα όχι μόνο εμβαθύνει την κατανόηση των νευρωνικών αρχών, αλλά έχει επίσης τη δυνατότητα να ενισχύσει την τεχνητή νοημοσύνη.

Βασικά στοιχεία:

1. Είναι η πρώτη φορά που ολόκληρο το οπτικό σύστημα ανακατασκευάζεται σε συναπτικό επίπεδο από ένα μόνο δείγμα.
2. Η παρασιτική σφήκα, Megaphragma viggianii, έχει μικρό εγκέφαλο μόνο 8.600 κυττάρων, αλλά είναι ικανή για πολύπλοκες συμπεριφορές όπως η πτήση.
3. Οι γνώσεις από τον εγκέφαλο της σφήκας θα μπορούσαν να ενημερώσουν για την πρόοδο στην τεχνητή νοημοσύνη, κατανοώντας τις αρχές απλούστερων νευρικών συστημάτων.

πηγή: Ίδρυμα Simmons

Νευροεπιστήμονες στο Ινστιτούτο Flatiron στη Νέα Υόρκη και οι συνάδελφοί τους έκαναν μια σημαντική ανακάλυψη χρησιμοποιώντας έναν από τους μικρότερους εγκεφάλους του κόσμου.

Χρησιμοποιώντας μια δέσμη ιόντων, ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και πολλή υπομονή, οι νευροεπιστήμονες χαρτογράφησαν ολόκληρο το πρώιμο οπτικό σύστημα – από τα μάτια που λαμβάνουν φως έως τους νευρώνες που επεξεργάζονται πληροφορίες – μιας παρασιτικής σφήκας μικρότερης από έναν κόκκο επιτραπέζιου αλατιού.

Αυτό το κατόρθωμα αντιπροσωπεύει την πρώτη φορά που επιστήμονες έχουν ανακατασκευάσει πλήρως ένα τέτοιο σύστημα σε συναπτικό επίπεδο από ένα μόνο δείγμα από οποιοδήποτε ζωικό είδος, ανέφεραν οι νευροεπιστήμονες διαδικτυακά στις 29 Σεπτεμβρίου στο Τρέχουσα βιολογία.

Ενώ το μωρό σφήκα έχει μικρό εγκέφαλο (έχει μόνο 8.600 κύτταρα σε σύγκριση με τα 171 δισεκατομμύρια κύτταρα ενός μέσου ανθρώπου), το μικροσκοπικό έντομο εξακολουθεί να είναι ικανό για περίπλοκες συμπεριφορές όπως η πτήση. «Είναι απίστευτο ότι υπάρχει ακόμα τόση πολυπλοκότητα σε έναν τόσο μικρό εγκέφαλο», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Nicholas Chua, πρώην ερευνητικός αναλυτής στο Κέντρο Υπολογιστικής Νευροεπιστήμης του Ινστιτούτου Flatiron (CCN) και τώρα μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια.

Ο εγκέφαλος της σφήκας αποδεικνύεται ότι είναι “πολύ παρόμοιος με μεγαλύτερους εγκεφάλους, αλλά πιο απλός και μικρότερος”, λέει ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης Dmitry Chklovsky, επικεφαλής της ομάδας στο CCN. Λέει ότι οι ερευνητές εργάζονται τώρα για τη χαρτογράφηση ολόκληρου του εγκεφάλου της σφήκας.

«Η ιδέα είναι ότι οι αρχές με τις οποίες λειτουργούν οι νευρώνες και τα νευρωνικά κυκλώματα είναι ίδιες μεταξύ μας και των άλλων ζώων, γι’ αυτό πιστεύουμε ότι μπορούμε να πάρουμε ό,τι μαθαίνουμε από τα έντομα και να το εφαρμόσουμε στους ανθρώπους», λέει. το ανθρώπινο μυαλό».

Η κατανόηση του εγκεφάλου των εντόμων θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους ερευνητές να βελτιώσουν τα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης, λέει ο Chklovsky. «Όταν τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά πριν από 70 χρόνια, εμπνεύστηκαν από τη γνώση των νευρώνων στον εγκέφαλο», λέει. «Αλλά οι γνώσεις μας έχουν προχωρήσει σημαντικά από τότε. Οι δυνατότητες του ανθρώπινου εγκεφάλου ξεπερνούν αυτές της τεχνητής νοημοσύνης και γνωρίζουμε ότι βασίζεται σε διαφορετικούς κανόνες, επομένως πρέπει να υπάρχει κάποια μυστική σάλτσα που έχει η βιολογία που μπορεί να μας βοηθήσει να δημιουργήσουμε καλύτερη τεχνητή νοημοσύνη .»

Η ομάδα του Chkalovsky στο CCN εργάστηκε για το έργο σε συνεργασία με τις ομάδες του Harald Hess από το Ερευνητικό Πάρκο Janelia του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes και του Alexei Polelov από το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας.

Η μελέτη βασικών εγκεφάλων στο ζωικό βασίλειο καθιστά ευκολότερο τον εντοπισμό των μηχανισμών και των κανόνων που διέπουν πολύπλοκες συμπεριφορές, λέει ο Chklovsky. Παρασιτική σφήκα Megaphragma vigiani Είναι ιδανικό θέμα για μια τέτοια εργασία. Αυτή η μικροσκοπική σφήκα έχει μήκος μόνο περίπου 200 μικρόμετρα, αλλά μπορεί να πετάξει και να ψάξει για τα αυγά των εντόμων που ονομάζονται θρίπες, όπου οι σφήκες γεννούν τα αυγά τους.

Το είδος έπρεπε να συρρικνωθεί δραματικά για να φτάσει σε τόσο μικρό μέγεθος: ορισμένα κύτταρα σφηκών εγκαταλείπουν ακόμη και τους πυρήνες τους για να δημιουργήσουν χώρο. Οι μύγες των φρούτων, ένα αγαπημένο θέμα των βιολόγων, έχουν μήκος περίπου 3.000 μικρόμετρα και έχουν πάνω από 10πλάσιο αριθμό κυττάρων στον εγκέφαλό τους από τις σφήκες.

«Η μύγα είναι σαν ελέφαντας σε σύγκριση με αυτό», λέει ο Chklovsky. «Ολόκληρο αυτό το πλάσμα χωράει στο μάτι μιας φρουτόμυγας».

Οι νευροεπιστήμονες αντιμετώπισαν μια μεγάλη πρόκληση στη χαρτογράφηση ολόκληρου του πρώιμου οπτικού συστήματος από τα μάτια των φρουτόμυγων έως τους νευρώνες που πραγματοποιούν την πρωτογενή οπτική επεξεργασία. Προηγουμένως, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν πολλά διαφορετικά δείγματα για να φτιάξουν τέτοιους χάρτες. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση σημαίνει ότι δεν είναι όλα πανομοιότυπα λόγω διαφορών μεταξύ των μεμονωμένων δειγμάτων.

Αντίθετα, οι νευροεπιστήμονες χρησιμοποίησαν μόνο μία σφήκα. Τα κύτταρα του ήταν πολύ μικρά για να απεικονιστούν με χρήση φωτός, έτσι πυροβόλησαν μια δέσμη ηλεκτρονίων στο έντομο και κατέγραψαν πώς διασκορπίστηκαν τα ηλεκτρόνια. Μετά από κάθε πέρασμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια δέσμη ιόντων για να ξυρίσουν ένα λεπτό στρώμα του εντόμου, αποκαλύπτοντας ένα βαθύτερο επίπεδο του κεφαλιού του εντόμου.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές χαρτογράφησαν τα εγκεφαλικά κύτταρα της σφήκας και τις μεταξύ τους συνδέσεις, που ονομάζονται συνάψεις. Έπρεπε να το κάνουν κυρίως με το χέρι, κάτι που είναι πολύ κουραστικό έργο. (Για μελλοντικές μελέτες, αρχίζουν να εφαρμόζουν ένα εργαλείο με τεχνητή νοημοσύνη που επιταχύνει τη διαδικασία.)

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι νευροεπιστήμονες έχουν κερδίσει μεγαλύτερη εκτίμηση για το πώς οι σφήκες βλέπουν και επεξεργάζονται οπτικές πληροφορίες. Για παράδειγμα, ανακάλυψαν πώς διάφορα μέρη των ματιών των σφηκών συμβάλλουν στην όραση του πλάσματος και διαπίστωσαν ότι οι σφήκες μπορούν να ανιχνεύσουν την πόλωση του φωτός, κάτι που δεν ήταν γνωστό προηγουμένως για αυτό το είδος.

Το επόμενο βήμα για τους νευροεπιστήμονες είναι να χαρτογραφήσουν τον υπόλοιπο εγκέφαλο της σφήκας για να αποκαλύψουν ολόκληρο το διασυνδεδεμένο πλαίσιο που χρησιμοποιεί το έντομο για πολύπλοκη συμπεριφορά. «Στη συνέχεια, θέλουμε να εφαρμόσουμε τις αρχές που θα μάθουμε από αυτά τα απλά συστήματα σε πιο σύνθετους εγκεφάλους όπως ο δικός μας», λέει ο Chklovsky.

Σχετικά με αυτές τις ειδήσεις έρευνας χαρτογράφησης εγκεφάλου

συγγραφέας: Αναστασία Γκρίνμπαουμ
πηγή: Ίδρυμα Simmons
επικοινωνία: Anastasia Greenbaum – Simons Foundation
εικόνα: Η εικόνα πιστώθηκε στο Neuroscience News

Αρχική αναζήτηση: Ανοιχτή πρόσβαση.
“Πλήρης αναδόμηση του πρώιμου οπτικού συστήματος του ενήλικου εντόμου«Από τους Nicholas Chua et al. Τρέχουσα βιολογία

μια περίληψη

Πλήρης αναδόμηση του πρώιμου οπτικού συστήματος του ενήλικου εντόμου

Καλύτερες στιγμές

• Μεγαφράγμα Το νευρωνικό δίκτυο του ελάσματος είναι παρόμοιο, αλλά απλούστερο από αυτά που βρίσκονται σε μεγαλύτερα έντομα
• κένωση Μεγαφράγμα Οι νευρώνες είναι ειδικοί για την κατηγορία, υποδηλώνοντας έναν λειτουργικό ρόλο
• Η ανομοιότητα του νευρωνικού δικτύου cartouche αντανακλά την εξειδίκευση της ραχιαία ράχη

περίληψη

Για τους περισσότερους οργανισμούς-μοντέλους στη νευροεπιστήμη, η έρευνα για την οπτική επεξεργασία στον εγκέφαλο είναι δύσκολη λόγω της έλλειψης χαρτών υψηλής ανάλυσης που καταγράφουν πολύπλοκα νευρωνικά κυκλώματα.

Μικρό έντομο Megaphragma vigiani,Λόγω του μικρού τους μεγέθους και της μη τετριμμένης συμπεριφοράς τους, παρέχουν μια μοναδική ευκαιρία για επικοινωνία ολόκληρου του οργανισμού.

Απεικονίζουμε ολόκληρο το κεφάλι του χρησιμοποιώντας σειριακή ηλεκτρονική μικροσκοπία. Ανακατασκευάσαμε το σύνθετο μάτι του και αναλύσαμε τις οπτικές ιδιότητες των ομματιδίων καθώς και το νευρωνικό δίκτυο του πρώτου οπτικού νεύρου – του ελάσματος.

Σε σύγκριση με τις μύγες και τις μέλισσες, Μεγαφράγμα Το οπτικό σύστημα είναι πολύ απλοποιημένο: περιέχει 29 ομματίδια ανά μάτι και 6 τύπους νευρώνων ελασμάτων. Αναφέρουμε χαρακτηριστικά χαρακτηριστικά μεταξύ των περισσότερων ομματιδίων και εξειδικευμένα σε ορισμένα.

Εντοπίζοντας «αφηρημένα» κυκλώματα σημαντικά για τα ιπτάμενα έντομα, τα αποτελέσματά μας θα διευκολύνουν την κατασκευή υπολογιστικών μοντέλων οπτικής επεξεργασίας στα έντομα.