Design, ingeniørfag, spesifisert kompleksitet: å sette pris på fruktflue-hjernen
Av Eric Cassell, 14. november 2024. Oversatt herfra

Bilde 1. Fruktflue

Banebrytende ny forskning har dokumentert kompleksiteten og utformingen av hjernen til fruktfluer (Drosphila melanogaster). Mange av resultatene ble publisert i en serie artikler i tidsskriftet Nature. Grunnlaget for forskningen er fullendelsen av modellen for hele lednings-diagrammet (connectome) av fruktflue-hjernen, som består av 140 000 nevroner (1). I tillegg inkluderer det mer enn 50 millioner tilkoblinger (kjemiske synapser) (2), husk at til tross for antall nevroner og forbindelser, er fruktfluehjerner bittesmå, mindre enn et valmuefrø. Tidligere hadde forskere kartlagt hjernen til noen få andre organismer, inkludert rundormen C. elegans, men hjernen deres består bare av 302 nevroner.

Det meste av arbeidet ble utført av en gruppe forskere kalt Flywire Consortium. Fullføringen av prosjektet og pågående forskning forventes å resultere i en revolusjon innen nevrovitenskap. Tidligere ble det antatt at hjerner med hundretusener av nevroner var for store til å kartlegge og vurdere funksjon i detalj. Men resultatene er et første skritt mot å kunne gjøre det, og potensielt mot å kartlegge minst deler av større hjerner (inkludert mennesker med mer enn 80 milliarder nevroner og 100 billioner tilkoblinger). Forskningen har allerede avslørt en rekke viktige, og i noen tilfeller, overraskende funn.

Bilde 2. Nevron nett

Nevrontyper
Forskningen har identifisert minst 8 453 nevronale celletyper (3). En nevroncelletype er en gruppe som har lignende morfologi og tilkobling. Dette sammenlignes med ormen C. elegans som har 118 celletyper (4). Forskningen identifiserte også forskjellige klasser av nevroner, avhengig av deres funksjon. Eksempler inkluderer sensoriske nevroner (merket afferent) som sender signaler fra sensoriske organer til hjernen. Motoriske og endokrine nevroner (merket efferent) sender signaler fra hjernen til muskler og andre organer (5).

Tidligere teoretiserte noen at hjernenevroner kan være som 'snøfnugg', det vil si at hver og en er unik. Det vil innebære at deres utvikling og forbindelser egentlig er en tilfeldig prosess. Forskningen bekrefter imidlertid at det generelt ikke er tilfelle. Det er noen bevis på tilfeldighet, ettersom en analyse viser at "over 50% av connectome-grafen er snøfnugg. Selvfølgelig er disse ikke-reproduserbare kantene [tilkoblingene] stort sett svake." (6) Analysen viser at" nevroner av og til gjør noe uventet (tar en annen rute eller lager en ekstra gren på den ene siden av hjernen). Vi antar at slike stokastiske forskjeller er ubemerket variasjon som er til stede i de fleste hjerner ... Avslutningsvis har vi ikke samlet et snøfnugg." (7) Dette betyr at de sterkere forbindelsene stort sett er stereotype og ikke varierer signifikant på en tilfeldig måte. Motsatt viser funnene overbevisende at heller ikke er hjernestrukturen en regulær gittertype, som i krystaller.

Kompleksitet
Fruktfluer viser en rekke komplekse atferder, inkludert flykontroll (sveving, raske retningsendringer), navigasjon, parringsfrihet ved bruk av feromoner og sverming. Derfor er det ikke så overraskende at hjernen deres viser kompleksitet. Den gjennomsnittlige fruktflue -neuronforbindelsen består av 12.6 synapser. (8) Individuelle nevroner har vanligvis mindre enn 10 forbindelser, men noen har mer enn 100, og til og med har noen få 1000. (9) Dette betyr at det ikke er en enhetlig fordeling av nevroner eller en enhetlig fordeling av tilkoblinger. Forskningen har til og med vært i stand til å kartlegge flyten av informasjon i hele hjernen. Fruktfluehjernen består av områder med spesialiserte funksjoner. Disse inkluderer visuell prosessering, lukt, auditive, mekaniske sensorer og temperatursensorer. En ytterligere indikasjon på spesialiserte funksjoner er rapporten fra ett forskningsprosjekt som analyserte 78 anatomisk distinkte 'subnetverk' i hjernen. (10) Denne samme analysen konkluderte: "Den lokale strukturen til hjernen viser en høy grad av ikke-tilfeldighet, i samsvar med tidligere Studier i C. elegans og i muse -hjernebarken." (11)
Den generelle strukturen i hjernen er konsistent mellom fruktfluer, basert på funnet av "[a] høy grad av stereotypi på alle nivåer; Nevrontall er svært konsistente mellom hjernen, og det samme er forbindelser over en viss vekt." (12) Dette er i samsvar med tidligere forskning på forskjellige insekt hjerner. (13)

Bilde 3. Dembskis design-filer

Et annet funn fra forskningen er at fruktflue-hjernen viser egenskapene til hva som kalles et "lite-verdens nettverk", der "nodene er svært grupperte og lengdene er korte." (14) Andre eksempler på lite-verdens nettverk er kraftnett, togruter og elektroniske kretsløp. Hjernen til C. elegans var det første eksemplet som ble identifisert av et nevralt nettverk i verden. Kjennetegn på lite-verdens nettverk inkluderer "forbedret signalforplantning, beregningskraft og synkroniserbarhet." (15) Den viktigste fordelen for hjernefunksjon er at den gir "svært effektiv global kommunikasjon mellom nevroner." (16)
Totalt sett viser forskningen at fruktfluehjernen har en høy grad av kompleksitet, men enda viktigere at mye av den er spesifisert komplekst. Dette inkluderer ingeniørdesign av de ulike spesialiserte nevrale nettverkene og undernettverkene. Noen av ingeniørdesign-prinsippene som er tydelige i aspekter av hjernen inkluderer optimalisering, effektivitet og sammenheng. Så kompleks som hjernen er vist å være så langt for forskningen, er den sannsynligvis enda mer komplisert enn den for øyeblikket ser ut til å være, siden de elektriske tilkoblingene ennå ikke er fullt ut kartlagt på en lignende måte som de kjemiske forbindelsene.

For referanser, se til slutt i originalartikkelen -lenke.

Bilde 4. Eric Cassell

Eric Cassell er forfatteren av Animal Algorithms: Evolution and the Mysterious Origin of Ingenious Instincts, og er en ekspert på navigasjonssystemer, inkludert GPS. Han har hatt en langvarig interesse for dyrenavigasjon. Han har mer enn fire tiår med erfaring innen systemteknikk relatert til flynavigasjon og sikkerhet. Han har fungert som ingeniørkonsulent for NASA og Federal Aviation Administration (FAA); har utviklet datamaskinalgoritmer for sikkerhetssystemer; og har publisert en rekke tekniske artikler. Hans akademiske opplæring inkluderer bachelorgrader i biologi (George Mason University) og elektroteknikk (Villanova University), og en mastergrad i vitenskap og religion fra Biola University, som inkluderte vitenskaps historie og filosofi.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund