Trots dystra varningar visar historien att det finns hopp
Trodde du att flugor bara var irriterande, störande och smutsiga varelser? Knappast! Faktum är att deras hjärnor kan vara nyckeln för forskare som söker förstå hur den mänskliga hjärnan fungerar och varför vi beter oss som vi gör.
I en nyligen publicerad studie i tidskriften Nature undersökte forskare en bananflugas hjärna och identifierade samtliga av dess 130 000 celler och 50 miljoner kopplingar. Denna kartläggning av flugans hjärna är enligt uppgift den mest detaljerade analysen av hjärnan hos ett vuxet djur och utgör ett genombrott inom neurovetenskapen. En forskare har till och med kallat den "Google Maps, fast för hjärnor".
Nyfiken? Du kan inte vara en fluga på väggen, men du kan ta reda på hur en sådan tänker. Klicka vidare!
Sebastian Seung, professor i datavetenskap och neurovetenskap vid Princeton University och en av ledarna för forskargruppen, ställde en intressant fråga: "Varför ska vi bry oss om en bananflugas hjärna?" Hans svar är enkelt, men ändå djupgående: förståelse för hur olika hjärnor fungerar kan ge värdefull information om hur alla hjärnor fungerar.
Flugor avfärdas ofta som irriterande skadedjur men har spelat en betydande roll i människans kultur genom historien. Inom allt från konst och litteratur till folklore och vidskepelse har dessa små insekter eggat vår fantasi och haft en djup symbolisk betydelse.
I antikens Egypten förknippades flugor med krigföring, död och förstörelse. "Gyllene flugans orden" var en utmärkelse som gavs till modiga soldater och återspeglade insektens uthållighet och motståndskraft. Flugor betraktades också som budbärare från underjorden som vägledde de dödas själar.
Flugor är viktiga bioindikatorer och ger värdefull information om miljöns hälsa. Vissa arter är mycket känsliga för föroreningar och deras närvaro eller frånvaro kan vittna om tillståndet i ett ekosystem.
Bananflugor har i mer än ett sekel hjälpt forskare att studera nedärvningsmekanismer, utvecklingsbiologi och signaltransduktionsvägar. De har också spelat en avgörande roll för att förstå den genetiska grunden för sjukdomar, bland annat cancer och neurodegenerativa sjukdomar.
Från att ha smädats som symboler för förfall till att hyllas som betydande bidragsgivare till vetenskapliga framsteg har flugor spelat en avgörande roll för att främja vår förståelse för biologi, medicin och miljömässig hållbarhet.
Bananflugor delar cirka 60 procent av människans gener, vilket gör dem till värdefulla modeller för studiet av mänsklig biologi och sjukdomar. Deras likheter med människor, bland annat åldrandemönster, reaktioner på koffein och uppvaktningsbeteenden, belyser vilken information som skulle kunna erhållas genom att studera deras hjärnor.
Även om de är mindre än ett knappnålshuvud är bananflugors hjärnor otroligt komplexa och kapabla att utföra sofistikerade uppgifter. Genom att studera dessa neurala kretsar har forskare erhållit värdefull information om varför flugor är så svåra att få fatt på med flugsmällare, till exempel.
Flugors synkretsar gör det möjligt för dem att upptäcka annalkande hot och dess riktning med otrolig precision. När de står inför vår hoprullade tidning skickar deras synkretsar en stark hoppsignal till benen som är vända bort från faran och gör det möjligt för dem att reagera instinktivt – bokstavligen snabbare än tankens hastighet.
Hjärnkopplingsscheman, vetenskapligt kända som connectomes, tillhandahåller en faktisk karta som forskare kan använda för att jämföra och utöka till andra arter. Fram till nyligen hade forskare bara connectomes av en enkel mask, som har 300 trådar, och en fluglarv, som har 3 000.
Utvecklingen av flugans hjärndiagram var ett monumentalt företag som krävde internationellt samarbete mellan forskare. Forskarna bildade FlyWire Consortium, som låter som taget ur en Marvelfilm.
För att skapa kopplingsschemat skar forskarna noggrant en flughjärna i 7 000 sektioner med hjälp av en mikroskopisk teknik som kan liknas vid att riva ost. Varje del fotograferades sedan och rekonstruerades digitalt. Man använde ett elektronmikroskop för att visualisera strukturer så små som fyra miljondelar av en millimeter.
Forskarna tog sedan hjälp av artificiell intelligens för att analysera de miljontals bilderna och spåra det intrikata nätverket av neuroner och synaptiska kopplingar i flugans hjärna.
Sin kapacitet till trots lyckades den artificiella intelligensen inte automatisera processen helt. Forskarna var tvungna att manuellt korrigera över tre miljoner fel i den genererade kartan. Detta enorma arbete krävde gemensamma ansträngningar av ett flertal forskare och frivilliga från olika länder.
Det återstod dock en hel del arbete. Utan en beskrivning av vad varje enskild neural koppling gör vore kartan meningslös, enligt Philipp Schlegel vid Medicinska forskningsrådets laboratorium för molekylärbiologi.
Enligt Schlegel är hjärnkartan motsvarigheten till Google Maps, fast för sinnet. Diagrammet visar vägarna mellan neuroner, som gator och byggnader. "För att verkligen förstå hjärnans funktion måste vi dock lägga till motsvarigheten till gatunamn, stadsnamn, öppettider, telefonnummer och recensioner. Först då kan vi navigera i detta komplexa landskap och få fram meningsfull information" förklarar Schlegel.
Genom att analysera hjärnkartan har forskare identifierat distinkta neurala kretsar som fyller olika funktioner. Till exempel är de kretsar som är involverade i rörelse belägna vid hjärnans bas, medan kretsarna för visuell bearbetning är belägna åt sidan.
Visuell bearbetning kräver betydligt mer beräkningskraft än rörelse, vilket resulterar i ett större antal neuroner som är involverade i dessa kretsar. Även om forskarna visste att det fanns separata syn- och rörelsekretsar har kopplingarna mellan dem förblivit ett mysterium fram till nu.
Totalt har forskarna identifierat cirka 140 000 nervceller – varav 98 procent har kategoriserats – och över 50 miljoner synapser.
Med hjälp av den detaljerade hjärnkartan har forskare identifierat specialiserade nervceller med distinkta funktioner. "Interrogator"-neuroner integrerar olika typer av information, medan "broadcaster"-neuroner kan koordinera aktivitet mellan olika neurala kretsar. Vidare har en specifik krets som stoppar bananflugans rörelse upptäckts.
Den mänskliga hjärnan är betydligt större och mer komplex än en flugas, vilket gör fullständig kartläggning till en enorm utmaning.
En komplett connectome av en fluga och dess 130 000 trådar är en fantastisk teknisk bedrift som banar väg för att hitta connectomes för större hjärnor som musen och, kanske om några decennier, vår egen.
På grund av rådande tekniska begränsningar kan vi inte greppa de intrikata detaljerna i vårt eget neurala nätverk. Hjärnskanningar kan visa delar av hjärnans kopplingar, men även den mest avancerade tekniken ger bara en partiell glimt av dess intrikata nätverk.
Om vi har en miljon gånger så många hjärnceller, eller neuroner, som den bananfluga som studerades, hur kan då kopplingsschemat för en insektshjärna hjälpa forskare att ta reda på hur vi tänker?
Schlegel förutspår att denna nya hjärnkarta är början på en våg av neurovetenskapliga upptäckter inom de närmaste åren. Genom att studera bananflugans hjärnkarta söker forskarna uppnå en mer djupgående förståelse för hur en frisk hjärna fungerar.
Genom att kartlägga de neurala kopplingarna i specifika områden i den mänskliga hjärnan hoppas forskarna kunna kasta ljus över de underliggande orsakerna till neuropsykiatriska och andra hjärnsjukdomar. Som John Ngai, chef för National Institutes of Health's Brain Initiative, betonar: "Vi kan inte åtgärda det vi inte förstår. Det är därför kunskap om hjärnans kopplingar är så viktigt."
Kartläggning av hela den mänskliga hjärnan, med dess 86 miljarder neuroner och biljoner kopplingar, är ingen liten uppgift. Eftersom våra hjärnor är ungefär en miljon gånger så komplexa som en bananflugas skulle det krävas en häpnadsväckande mängd data för att färdigställa ett kopplingsschema, motsvarande all världens internettrafik under ett år.
Källor: (FlyWire) (Nature) (BBC) (The Guardian) (Harvard Medical School) (Medium)
Undrar du hur hjärnan fungerar? Fråga en fluga!
Forskare tar hjälp av flugors hjärnor för att förstå det mänskliga sinnet
LIVSSTIL Forskning
Trodde du att flugor bara var irriterande, störande och smutsiga varelser? Knappast! Faktum är att deras hjärnor kan vara nyckeln för forskare som söker förstå hur den mänskliga hjärnan fungerar och varför vi beter oss som vi gör.
I en nyligen publicerad studie i tidskriften Nature undersökte forskare en bananflugas hjärna och identifierade samtliga av dess 130 000 celler och 50 miljoner kopplingar. Denna kartläggning av flugans hjärna är enligt uppgift den mest detaljerade analysen av hjärnan hos ett vuxet djur och utgör ett genombrott inom neurovetenskapen. En forskare har till och med kallat den "Google Maps, fast för hjärnor".
Nyfiken? Du kan inte vara en fluga på väggen, men du kan ta reda på hur en sådan tänker. Klicka vidare!