اولین نقشه کامل سیستم عصبی مرکزی مگس میوه نر، جزئیات ۱۲۴ میلیون اتصال را نشان می‌دهد

در سال ۲۰۲۴، محققان از نمودار سیم‌کشی کامل مغز مگس میوه ماده رونمایی کردند و حدود ۱۴۰ هزار نورون را در بزرگترین کانکتوم تولید شده تا آن زمان نقشه‌برداری کردند. اکنون، یک کنسرسیوم بین‌المللی عظیم، معادل نر آن را نقشه‌برداری کرده است—و نکته مهم اینجاست که آنها به مغز بسنده نکردند. با گسترش نقشه به سمت پایین و شامل شدن طناب عصبی شکمی حشره (که معادل نخاع انسان است)، دانشمندان اولین نمودار کامل با وضوح سیناپسی از کل سیستم عصبی مرکزی را تولید کرده‌اند که شامل ۱۶۶,۶۹۱ نورون و بیش از ۱۲۴ میلیون اتصال است که ورودی حسی را مستقیماً به عمل حرکتی پیوند می‌دهد.[1][3][4]

برای ساخت این نقشه، محققان در پردیس تحقیقاتی جانلیا وابسته به مؤسسه پزشکی هاوارد هیوز و گوگل ریسرچ، یک مگس میوه نر (Drosophila melanogaster) را به هزاران برش میکروسکوپی تقسیم کردند. آنها هر برش را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی تصویربرداری کردند و میلیون‌ها تصویر دو بعدی تولید کردند. سپس مدل‌های هوش مصنوعی، به ویژه شبکه‌های پرکننده سیلابی (flood-filling networks)، مرزهای سلول‌های منفرد را در میان برش‌ها ردیابی کردند و تصاویر مسطح را به یک شبکه سه‌بعدی منسجم متصل کردند.[5][6]

مجموعه داده حاصل، جزئیات ۱۱,۶۹۱ نوع سلول متمایز را در سراسر بدن حشره نشان می‌دهد. از آنجا که این نقشه شامل طناب عصبی شکمی است، محققان اکنون می‌توانند یک مسیر پیوسته را از لوب‌های بینایی مگس—جایی که اطلاعات بصری وارد می‌شود—مستقیماً از طریق مغز مرکزی و پایین‌تر به نورون‌های حرکتی که بال‌ها و پاهای آن را کنترل می‌کنند، ردیابی کنند. این امر به عصب‌شناسان اجازه می‌دهد تا دقیقاً مشاهده کنند که چگونه یک محرک بصری به یک فرار یا نزدیک شدن فیزیکی تبدیل می‌شود.[1][2][3][5]

گنجاندن مغز نر همچنین امکان اولین مقایسه ساختاری مستقیم بین دو جنس در حیوانی با رفتارهای اجتماعی پیچیده را فراهم می‌کند. «این اولین باری است که می‌توانیم هر دو جنس حیوانی با رفتار اجتماعی پیچیده را مقایسه کنیم»، این گفته جری روبین، رهبر ارشد گروه در پردیس تحقیقاتی جانلیا است. هنگامی که محققان نقشه جدید نر را با کانکتوم ماده ۲۰۲۴ مقایسه کردند، دریافتند که اکثریت قریب به اتفاق سیستم عصبی مرکزی ایزومورفیک است، به این معنی که سیم‌کشی دقیقاً یکسانی دارد.[3][4][5]

با این حال، نقشه‌برداری ۲۶۲ نوع سلول مختص نر، ۶۹ نوع مختص ماده، و ۱۱۴ نوع دیمورفیک (دو شکلی) را شناسایی کرد که در هر دو جنس وجود دارند اما سیم‌کشی متفاوتی دارند. در مجموع، این عناصر دیمورفیک جنسی تقریباً ۴.۸ درصد از مغز مرکزی نر را تشکیل می‌دهند. این تفاوت‌های جنسیتی به طور یکنواخت توزیع نشده‌اند. محیط‌های حسی و حرکتی تقریباً یکسان هستند، اما نورون‌های دیمورفیک به شدت در مراکز بالاتر مغز متمرکز شده‌اند.[3]

در مغز نر، نقاط کانونی ساختاری خاصی به عنوان سوئیچ‌های مداری عمل می‌کنند و اطلاعات حسی را برای هدایت رفتارهای متمایز، تغییر مسیر می‌دهند. این مسیرهای دیمورفیک کمک می‌کنند تا توضیح داده شود که چگونه یک ورودی حسی یکسان می‌تواند بسته به جنسیت مگس، پاسخ‌های متفاوتی را ایجاد کند و اعمال پیچیده‌ای مانند آیین‌های جفت‌گیری یا پرخاشگری‌های مختص جنسیت را کنترل کند.[2][3]

اگرچه نقشه ساختاری کامل است، اما کانکتوم تنها یک عکس فوری ایستا است. این نقشه نشان می‌دهد که سیم‌ها به کجا می‌روند، اما لزوماً نشان نمی‌دهد که در هر لحظه چقدر سیگنال از آنها عبور می‌کند، یا چگونه تعدیل‌کننده‌های عصبی مانند دوپامین، این مدارها را به صورت پویا در یک حیوان زنده و در حال رفتار تغییر می‌دهند. محققان اکنون در حال کار برای ادغام این داده‌های آناتومیک با ثبت‌های عملکردی فعالیت مغز هستند تا مدارها را در حال حرکت مشاهده کنند.[2][6]

خط لوله محاسباتی مورد استفاده برای پردازش ۱۲۴ میلیون سیناپس مگس، در حال حاضر برای اهداف بزرگتر نیز به کار گرفته شده است. این کنسرسیوم در حال حاضر در حال نقشه‌برداری مغز لارو ماهی زبرا و ماهی دانیونلا بالغ است که اولین کانکتوم‌های کامل مهره‌داران را فراهم خواهد کرد. تکنیک‌هایی که بر روی مغز به اندازه دانه خشخاش مگس میوه اصلاح شدند، اکنون زمینه را برای تلاش چندین دهه‌ای برای نقشه‌برداری از ۸۶ میلیارد نورون مغز انسان فراهم می‌کنند.[1][2][5]