Peta Otak Terbesar yang Pernah Mengungkapkan Neuron Lalat Buah dengan Sangat Detail

Peta Otak Terbesar yang Pernah Mengungkapkan Neuron Lalat Buah dengan Sangat Detail

Oleh Sara Reardon & Majalah Alam

Lalat buah mungkin bukan organisme terpintar, namun para ilmuwan masih bisa belajar banyak dari otak mereka. Para peneliti berharap dapat melakukannya sekarang karena mereka memiliki peta baru – yang paling lengkap dari semua organisme hingga saat ini – tentang otak lalat buah (Drosophila melanogaster). Diagram pengkabelan, atau 'connectome', mencakup hampir 140.000 neuron dan menangkap lebih dari 54,5 juta sinapsis, yang merupakan koneksi antar sel saraf.

“Ini adalah masalah besar,” kata Clay Reid, ahli neurobiologi di Allen Institute for Brain Sciences di Seattle, Washington, yang tidak terlibat dalam proyek ini namun pernah bekerja dengan salah satu anggota tim yang terlibat. “Ini adalah sesuatu yang telah ditunggu-tunggu oleh dunia sejak lama.”

Peta tersebut dijelaskan dalam paket sembilan makalah tentang data yang diterbitkan di alam Hari ini. Penciptanya adalah bagian dari konsorsium yang dikenal sebagai FlyWire, yang dipimpin bersama oleh ahli saraf Mala Murthy dan Sebastian Seung di Universitas Princeton di New Jersey.

---

Tentang mendukung jurnalisme sains

Jika Anda menyukai artikel ini, pertimbangkan untuk mendukung jurnalisme pemenang penghargaan kami dengan berlangganan. Dengan membeli langganan, Anda membantu memastikan masa depan cerita yang berdampak tentang penemuan dan ide yang membentuk dunia kita saat ini.

---

Sebuah jalan yang panjang

Seung dan Murthy mengatakan mereka telah mengembangkan peta FlyWire selama lebih dari empat tahun, menggunakan gambar potongan otak lalat melalui mikroskop elektron. Para peneliti dan rekan mereka menyatukan data untuk membentuk peta otak lengkap dengan bantuan alat kecerdasan buatan (AI).

Namun alat ini tidak sempurna, dan diagram pengkabelan perlu diperiksa kesalahannya. Para ilmuwan menghabiskan banyak waktu untuk memeriksa ulang data secara manual – begitu banyak waktu sehingga mereka mengundang sukarelawan untuk membantu. Secara total, anggota konsorsium dan sukarelawan melakukan lebih dari 3 juta pengeditan manual, menurut rekan penulis Gregory Jefferis, seorang ahli saraf di Universitas Cambridge, Inggris. (Dia mencatat bahwa sebagian besar pekerjaan ini terjadi pada tahun 2020, ketika para peneliti lalat keluar dan bekerja dari rumah selama pandemi COVID-19.)

Namun pekerjaannya belum selesai: peta tersebut masih perlu diberi anotasi, sebuah proses di mana peneliti dan sukarelawan memberi label setiap neuron sebagai jenis sel tertentu. Jefferis membandingkan tugasnya dengan mengevaluasi citra satelit: Perangkat lunak AI mungkin dilatih untuk mengenali danau atau jalan dalam gambar tersebut, namun manusia harus meninjau sendiri hasilnya dan memberi nama pada danau atau jalan tersebut. Secara keseluruhan, para peneliti mengidentifikasi 8.453 jenis neuron – lebih banyak dari perkiraan siapa pun. Dari jumlah tersebut, 4.581 di antaranya baru ditemukan, yang akan menciptakan arah penelitian baru, kata Seung. “Masing-masing jenis sel tersebut masih menjadi pertanyaan,” tambahnya.

Tim tersebut terkejut dengan beberapa cara berbagai sel terhubung satu sama lain. Misalnya, neuron yang dianggap hanya terlibat dalam satu rangkaian kabel sensorik, seperti jalur visual, cenderung menerima sinyal dari berbagai indera, termasuk pendengaran dan sentuhan.¹. “Sungguh menakjubkan betapa saling terhubungnya otak,” kata Murthy.

Jelajahi peta

Data peta FlyWire telah tersedia selama beberapa tahun terakhir untuk dijelajahi oleh para peneliti. Hal ini memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari lebih lanjut tentang otak dan lalat buah – penemuan yang dimuat dalam beberapa makalah yang diterbitkan di alam Hari ini.

Dalam sebuah makalah, misalnya, para peneliti menggunakan connectome untuk membuat model komputer dari seluruh otak lalat buah, termasuk semua koneksi antar neuron. Mereka mengujinya dengan mengaktifkan neuron yang mereka tahu manis atau pahit. Neuron-neuron ini kemudian meluncurkan jaringan sinyal melalui otak lalat virtual, yang pada akhirnya memicu neuron motorik yang melekat pada belalai lalat – setara dengan lidah mamalia. Ketika sirkuit manis diaktifkan, sinyal untuk memanjangkan belalai dikirimkan, seolah-olah serangga sedang bersiap untuk makan; ketika sirkuit pahit diaktifkan, sinyal ini dihambat. Untuk mengonfirmasi temuan ini, tim mengaktifkan neuron yang sama pada lalat buah asli. Para peneliti menemukan bahwa simulasi tersebut lebih dari 90% akurat dalam memprediksi neuron mana yang akan merespons dan bagaimana perilaku lalat.

Dalam penelitian lain, peneliti menggambarkan dua rangkaian kabel yang memberi sinyal pada lalat untuk berhenti berjalan. Salah satunya berisi dua neuron yang bertugas menghentikan sinyal 'berjalan' yang dikirim dari otak saat lalat ingin berhenti dan mencari makan. Sirkuit lain termasuk neuron di tali saraf, yang menerima dan memproses sinyal dari otak. Sel-sel ini menciptakan resistensi pada sendi-sendi kaki lalat, sehingga serangga tersebut dapat berhenti ketika sedang merawat dirinya sendiri.

Salah satu keterbatasan dari ekstensi baru ini adalah bahwa ekstensi tersebut dibuat dari lalat buah betina. Meskipun otak lalat buah mirip satu sama lain, namun keduanya tidak identik. Hingga saat ini, peta otak lalat buah yang paling lengkap adalah peta 'hemibrain' – bagian otak lalat yang mengandung sekitar 25.000 neuron. Dalam satu alam makalah hari ini, Jefferis, Davi Bock, ahli neurobiologi di Universitas Vermont di Burlington, dan rekan mereka membandingkan otak FlyWire dengan hemibrain.

Beberapa perbedaan sangat mencolok. Lalat FlyWire memiliki hampir dua kali lebih banyak neuron dalam struktur otak yang disebut tubuh jamur, yang terlibat dalam penciuman, dibandingkan lalat yang digunakan dalam proyek pemetaan hemibrain. Bock berpendapat perbedaan ini mungkin karena lalat hemibrain mungkin kelaparan saat mereka masih bertumbuh, sehingga mempengaruhi perkembangan otak mereka.

Para peneliti FlyWire mengatakan masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk memahami sepenuhnya otak lalat buah. Misalnya, tautan terbaru hanya menunjukkan bagaimana neuron terhubung melalui sinapsis kimia, tempat molekul yang disebut neurotransmiter mengirimkan informasi. Ia tidak memberikan informasi apa pun tentang hubungan listrik antar neuron atau tentang bagaimana neuron berkomunikasi secara kimiawi di luar sinapsis. Dan Murthy berharap pada akhirnya memiliki koneksi lalat jantan juga, yang memungkinkan para peneliti mempelajari perilaku spesifik pejantan seperti bernyanyi. “Kami belum selesai, tapi ini merupakan langkah besar,” kata Bock.

Artikel ini direproduksi dengan izin dan telah diterbitkan pertama kali diterbitkan pada tanggal 2 Oktober 2024.