เผยภาพจำลองสมองแมลงวันผลไม้ตัวผู้ครั้งแรกของโลก ก้าวสำคัญของวงการประสาทวิทยาด้วยพลัง AI

นับเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการจัดทำแผนที่การเชื่อมต่อของระบบประสาททุกจุดในสมองและระบบประสาทส่วนกลางของแมลงวันผลไม้ตัวผู้ตัวเต็มวัย โดยเป็นโครงการที่ใช้เวลาดำเนินการนานหลายปีภายใต้ความร่วมมือของ HHMI Janelia Research Campus, Google Research และชุมชนวิทยาศาสตร์

แผนที่สมองแมลงวันผลไม้ตัวผู้ชุดนี้ประกอบด้วยเซลล์ประสาท (neurons) มากกว่า 166,000 เซลล์ ซึ่งทำลายสถิติเท่าที่เคยมีมา ถือเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาการทดลองด้านประสาทวิทยาในสิ่งมีชีวิตต้นแบบที่มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาทางการแพทย์

เทคโนโลยี AI ช่วยให้นักวิจัยสามารถขยายขอบเขตของสาขา Connectomics หรือการสร้างแผนผังการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์สมองขึ้นใหม่ได้อย่างแม่นยำแบบทวีคูณ โดยแผนที่ชุดใหม่นี้เป็นการต่อยอดจากแผนที่สมองแมลงวันตัวเมียที่เคยเผยแพร่ก่อนหน้า และจะกลายเป็นทรัพยากรพื้นฐานสำคัญสำหรับวงการประสาทวิทยาในอนาคต โดยเราจะพาไปชม 5 ภาพจำลองที่น่าสนใจจากโครงการนี้

1. แผนที่ทุบสถิติ: การจำลองเซลล์ประสาทที่ละเอียดกว่าครั้งไหนๆ

ภาพนี้แสดงให้เห็นเซลล์ประสาทที่ถูกคัดสรรมาในสมองและเส้นประสาทส่วนท้อง (ventral nerve cord) ของแมลงวันผลไม้ตัวผู้ ซึ่งทำหน้าที่เปรียบเสมือนไขสันหลังในมนุษย์

เช่นเดียวกับคนเรา แมลงวันรับรู้สิ่งต่างๆ ผ่านอวัยวะบนส่วนหัว ทั้งตาประกอบขนาดใหญ่สองข้างและงวง (proboscis) ที่ใช้ตรวจจับกลิ่นและกินอาหาร โดยเซลล์ประสาทในอวัยวะรับสัมผัสเหล่านี้จะส่งสัญญาณผ่านเส้นทางประสาทไปยังเซลล์ประสาทสั่งการ (motor neurons) เพื่อควบคุมการเคลื่อนไหวของร่างกาย

2. สมอง + เส้นประสาท: การเชื่อมการรับรู้เข้ากับการกระทำด้วย AI

เมื่อมองจากมุมบน จะเห็นดวงตาขนาดมหึมาและสมองส่วนกลางของแมลงวันผลไม้อย่างโดดเด่น ซึ่งเชื่อมต่อผ่านสายประสาทที่หนาเข้ากับส่วนลำตัวที่เป็นจุดควบคุมพฤติกรรม

แผนที่นี้สร้างขึ้นจากการนำส่วนบางๆ ของสมองและร่างกายมาถ่ายภาพทีละชิ้น จากนั้นจึงใช้พลังของคอมพิวเตอร์และ AI รวมภาพ 2 มิติหลายล้านภาพเข้าด้วยกันจนเกิดเป็นโครงสร้างประสาทแบบ 3 มิติ ซึ่งการรู้โครงสร้างที่ละเอียดระดับนี้ช่วยให้นักประสาทวิทยาเข้าใจกลไกการทำงานเบื้องหลังของสมองได้ชัดเจนขึ้น

3. ภายในกล่องดำ: จำลองเซลล์ประสาทเกือบ 11,700 ประเภท

ภาพจำลองนี้แสดงเซลล์ประสาทบางส่วนจากทั้งหมด 11,691 ประเภทในระบบประสาทส่วนกลางของแมลงวันผลไม้ตัวผู้ ซึ่งครอบคลุมทั้งสมองและเส้นประสาทส่วนท้อง

นักวิจัยสามารถจัดหมวดหมู่เซลล์ประสาทตามขนาด รูปร่าง หน้าที่ หรือการแสดงออกของยีนได้ โดย AI มีส่วนช่วยอย่างมากในการสนับสนุนผู้เชี่ยวชาญให้สามารถจำแนกเซลล์ประสาทที่มีจำนวนมหาศาลกว่า 166,000 เซลล์ได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ

4. Vive la différence: ความแตกต่างระหว่างสมองตัวผู้และตัวเมีย

แม้เซลล์ประสาทส่วนใหญ่ในแมลงวันตัวผู้และตัวเมียจะเหมือนกัน (isomorphic) แต่มีบางส่วนที่เป็นลักษณะเฉพาะเพศ (sex-specific) หรือเป็นแบบ "dimorphic" ซึ่งมีอยู่ในทั้งสองเพศแต่เชื่อมต่อกับเซลล์ประสาทข้างเคียงต่างกัน

ตัวอย่างเช่นเซลล์ประสาทประเภท AOTU012 (สีน้ำเงิน) ที่ทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูลรับสัมผัสและรสชาติ แม้จะมีอยู่ในสมองของทั้งตัวผู้ (ซ้าย) และตัวเมอิ (ขวา) แต่จุดที่พวกมันเชื่อมต่อกับเซลล์ประสาทอื่นอาจมีทั้งที่เหมือนกัน (สีเขียว) และแตกต่างกัน (สีแดง ส้ม และเหลือง) ขึ้นอยู่กับเพศของแมลงวัน

5. แมลงวันเห็น แมลงวันทำ: การเชื่อมโยงสิ่งเร้าสู่การเคลื่อนไหว

แผนที่สมองใหม่นี้ยังแสดงให้เห็นเส้นทางสายตา-การสั่งการ (visual-motor pathways) ที่เชื่อมต่อการมองเห็นสภาพแวดล้อมเข้ากับการสั่งการเคลื่อนไหวเพื่อตอบสนอง

ในวิดีโอจำลองจะเห็นเส้นทางเริ่มจากเซลล์ประสาทสายตา R1-R6 (สีม่วง) ส่งต่อไปยังเซลล์ประสาทสั่งการ DNg13 (สีเขียว) โดยมีขั้นตอนกลางที่น่าสนใจอย่าง LoVP92 ซึ่งเป็นเซลล์เฉพาะในตัวผู้ที่เกี่ยวข้องกับจุดที่เรียกว่า "love spot" อันเป็นหัวใจสำคัญของพฤติกรรมการเกี้ยวพาราสี

นอกจากนี้ ยังมีการศึกษาเพิ่มเติมอีกสามฉบับที่นำแผนที่สมองนี้ไปใช้ศึกษาระบบ การมองเห็น, รสชาติ และ พฤติกรรมทางสังคม ผู้ที่สนใจสามารถศึกษาต่อได้ที่ เว็บไซต์ Neural Mapping หรืออ่านรายละเอียดใน โพสต์ของ Google Research Blog