Google và HHMI Janelia công bố bản đồ kết nối thần kinh hoàn chỉnh của ruồi giấm đực

Chúng tôi đã hợp tác với HHMI Janelia và các cộng sự để công bố bản đồ hoàn chỉnh về não bộ và hệ thần kinh trung ương của ruồi giấm đực, tạo nên bản đồ não bộ lớn nhất từ trước đến nay. Cùng với các nghiên cứu đang diễn ra trên các loài khác như cá và chuột, những bản đồ kết nối này bắt đầu hé lộ cơ chế hoạt động của mọi bộ não.

Ruồi giấm thông thường, Drosophila melanogaster, đóng vai trò trung tâm trong các nghiên cứu khoa học dẫn đến nhiều giải Nobel. Ruồi giấm là sinh vật mô hình cơ bản trong di truyền học nhờ hành vi mang tính khuôn mẫu và vòng đời ngắn, và hứa hẹn sẽ mang lại kết quả tương tự cho ngành khoa học thần kinh. Mặc dù tư duy của loài côn trùng ưa trái cây này có vẻ khác xa với nhận thức của con người, nhưng não bộ của các loài khác biệt nhau vẫn có nhiều điểm tương đồng. Vì việc lập bản đồ 86 tỷ nơ-ron trong não người vẫn chưa khả thi, các nhà khoa học đang sử dụng AI để lập bản đồ não bộ của các sinh vật nhỏ hơn như ruồi giấm. Điều này sẽ giúp chúng ta giải mã cách hệ thần kinh động vật cảm nhận thế giới, phản ứng với các kích thích và cách các đường dẫn thần kinh bị tổn thương có thể được sửa chữa trong tương lai.

Hiện nay, trong một dự án do HHMI Janelia Research Campus dẫn đầu, nhóm của chúng tôi và các cộng sự đã công bố sơ đồ kết nối hoàn chỉnh về não bộ và hệ thần kinh trung ương của ruồi giấm đực. Được công bố trên tạp chí Cell, bài báo “Sexual dimorphism in the complete connectome of the Drosophila male central nervous system” là kết quả của quá trình hợp tác kéo dài một thập kỷ, giúp thúc đẩy lĩnh vực kết nối học (connectomics) bằng cách sử dụng máy tính và AI để xây dựng bản đồ quy mô tế bào của toàn bộ não bộ. Với hơn 166.000 nơ-ron và 125 triệu kết nối synap, đây là bản đồ não bộ lớn nhất tính theo số lượng nơ-ron cho đến nay, cung cấp nguồn tài nguyên cơ bản để các nhà khoa học sử dụng ruồi giấm làm sinh vật mô hình nghiên cứu cách thức hoạt động của não bộ.

Bản đồ kết nối của ruồi giấm đực cũng bao gồm dây thần kinh bụng, tương tự như tủy sống, qua đó bắt đầu mở rộng từ não bộ sang cách não điều khiển cơ thể. Bản đồ kết nối của ruồi đực đã được chú giải và xác minh (hoặc hiệu đính) bởi một đội ngũ chuyên gia con người tại HHMI Janelia. Bản đồ này có thể được xem, khám phá và tải xuống thông qua Neuroglancer, công cụ mã nguồn mở mà chúng tôi tạo ra để giúp các nhà nghiên cứu trực quan hóa các tập dữ liệu đa chiều khổng lồ.

Bản đồ não bộ mới này bổ sung cho bản đồ não bộ ruồi giấm cái và bản đồ não bộ cùng dây thần kinh của ruồi giấm cái đã được công bố gần đây. Việc lập bản đồ cả não bộ và hệ thần kinh trung ương của cả con đực và con cái cho phép so sánh những nơi có sự khác biệt về nơ-ron, đồng thời được sử dụng để nghiên cứu các cơ chế sinh học về hành vi tán tỉnh và hung hăng ở ruồi giấm. Ở những phần não bộ tương đồng giữa hai giới, việc có hai bản đồ kết nối ruồi giấm hoàn chỉnh sẽ cho phép các nhà nghiên cứu bắt đầu quan sát sự biến đổi giữa các cá thể.

Các bước hướng tới việc lập bản đồ toàn bộ não bộ ruồi giấm

Lập bản đồ não bộ, hay kết nối học, bắt đầu bằng việc cắt não thành hàng triệu lát mỏng, chụp ảnh từng lát cắt và sử dụng máy tính cùng AI để ghép các hình ảnh lại với nhau. Các nhà nghiên cứu của chúng tôi xây dựng các hệ thống tận dụng AI để biến hình ảnh kính hiển vi điện tử phẳng thành các mô hình tái tạo 3D, sử dụng một bộ kỹ thuật không ngừng phát triển để tạo ra các hình dạng nơ-ron chính xác.

Các công cụ kết nối học AI của chúng tôi bao gồm mạng lưới lấp đầy (flood-filling networks), sử dụng mạng thần kinh tích chập để bắt đầu từ một điểm ảnh duy nhất và xác định tất cả các điểm ảnh khác thuộc cùng một đối tượng. Năm 2019, nhóm Kết nối học của chúng tôi đã công bố bản tái tạo hoàn toàn tự động đầu tiên về não bộ ruồi giấm cái. Đến năm 2020, nhóm chúng tôi và các cộng sự đã công bố bản đồ được con người xác minh của một nửa não bộ ruồi giấm cái với 25.000 nơ-ron và 21 triệu kết nối, một kỷ lục vào thời điểm đó. Trong khi đó, nhóm đã và đang thực hiện bản đồ não bộ hoàn chỉnh, đã được xác minh cho ruồi giấm đực, hiện đã hoàn tất.

Các phương pháp này vẫn đang tiếp tục được cải thiện. Một nỗ lực gần đây đã kết hợp các nơ-ron tổng hợp vào dữ liệu huấn luyện, giúp cải thiện thành công tốc độ và độ chính xác của hệ thống tái tạo tiên tiến PATHFINDER của chúng tôi. Chúng tôi cũng đang hỗ trợ phát triển các kỹ thuật mới để dán nhãn và chú giải các loại nơ-ron cụ thể. Hiện tại, việc lập bản đồ não bộ ruồi giấm đòi hỏi nhiều năm nỗ lực của con người chỉ để xác minh và chú giải các hình dạng nơ-ron. Bằng cách giảm bớt nhu cầu sửa lỗi thủ công này, các nhóm nghiên cứu có thể giải quyết các dự án lập bản đồ não bộ lớn hơn với ngân sách và thời gian hợp lý.

Hướng tới tương lai: Lập bản đồ toàn bộ não bộ cá

Lĩnh vực kết nối học đang tiến dần sang các loài động vật có xương sống: những sinh vật có tủy sống. Chúng có cấu trúc giải phẫu, tiến hóa và chức năng tương đồng hơn với con người. Trong một nghiên cứu do Đại học Columbia dẫn đầu và được công bố tuần này trên tạp chí Nature, nhóm của chúng tôi đã hỗ trợ lập bản đồ một phần não sau của cá mũi voi (elephantnose fish), vốn được sử dụng trong quá trình xử lý tín hiệu. Bài báo “Connectome analysis of a cerebellum-like circuit for sensory prediction” cho thấy lần đầu tiên cách bản đồ kết nối – một nguồn tài nguyên tĩnh – có thể được kết hợp với các thông tin khác để nghiên cứu tính dẻo thần kinh và học tập, tạo ra mô hình cơ học hoàn chỉnh nhất về quá trình học tập trong não bộ động vật có xương sống cho đến nay.

Cá ngựa vằn ấu trùng là một trong số ít các loài động vật có xương sống có não bộ đủ nhỏ để lập bản đồ từ đầu đến cuối bằng các kỹ thuật hiện tại. Cá ngựa vằn cũng có lợi thế là trong suốt ở giai đoạn ấu trùng, cho phép đo lường hoạt động thần kinh trong các thí nghiệm, như đã được ghi lại trong tập dữ liệu ZAPBench. Bài báo sắp tới của chúng tôi với Harvard, “A connectomic resource for neural cataloguing and circuit dissection of the larval zebrafish brain”, là tập dữ liệu toàn bộ não bộ đầu tiên cho một loài động vật có xương sống bao gồm cấu trúc thần kinh và loại phân tử trải dài trên toàn bộ não bộ. Nhóm của chúng tôi cũng đã phát hành phiên bản sơ bộ của một tập dữ liệu kết hợp hoạt động thần kinh và cấu trúc trong cùng một não bộ cá ngựa vằn ấu trùng, như một nguồn tài nguyên mở cho cộng đồng nghiên cứu.

Kết luận

Bản đồ kết nối ruồi giấm đực là một nguồn tài nguyên nền tảng sẽ hỗ trợ một kỷ nguyên mới cho khoa học thần kinh thực nghiệm, với các ứng dụng trong tương lai về sinh học, dược phẩm và y học. Ba bài báo đồng hành được công bố hôm nay cho thấy bản đồ kết nối ruồi giấm đực đã được sử dụng như thế nào cho nghiên cứu về khoa học thần kinh của hệ thống thị giác, vị giác và hành vi xã hội. Các phương pháp được phát triển ở đây cũng sẽ giúp thúc đẩy các dự án khác, chẳng hạn như bản đồ não bộ cá ngựa vằn đã được hiệu đính hoàn toàn sắp tới và việc lập bản đồ một phần não chuột. Mặc dù việc mô hình hóa 86 tỷ nơ-ron trong não người vẫn còn nằm ngoài tầm với, chúng ta đang tiến tới việc hé lộ cách thức hoạt động của não bộ và hiểu rõ các quá trình tiềm ẩn đằng sau các bệnh tâm thần như Alzheimer, trầm cảm hoặc tâm thần phân liệt. Một ngày nào đó, chúng tôi hy vọng những nỗ lực này sẽ dẫn đến những phương pháp mới để điều trị các bệnh về nhận thức, cải thiện sức khỏe não bộ và hỗ trợ phục hồi não bộ.

Lời cảm ơn

Chúng tôi cảm ơn các cộng sự học thuật tại HHMI Janelia và các nơi khác, đồng thời ghi nhận những đóng góp cốt lõi từ Nhóm Kết nối học tại Google. Chúng tôi biết ơn Hannah Hickey và Elise Kleeman vì sự giúp đỡ của họ. Cảm ơn Lizzie Dorfman, Michael Brenner, John Platt và Yossi Matias vì sự hỗ trợ, điều phối và lãnh đạo của họ.