Опубликована самая сложная (полная) на сегодняшний день карта мозга
Создание подробной карты всех связей между нейронами в мозге - так называемого коннектома - является особенно сложной задачей. На сегодняшний день было составлено всего три полных коннектома, причем для организмов с несколькими сотнями нейронов. На этот раз группе исследователей удалось создать коннектому мозга личинки дрозофилы, которая имеет гораздо большее количество нейронов и гораздо более сложную структуру мозга. Эта карта мозга может быть использована в качестве основы для многих исследований в области неврологии.
Карта высокого разрешения, показывающая различные связи между нейронами, позволяет понять, как мозг формирует поведение. "Если мы хотим понять, кто мы такие и как мы мыслим, нам необходимо понять механизм мышления. А ключ к этому пониманию - знание того, как нейроны соединяются друг с другом", — объясняет Джошуа Т. Фогельштейн, биомедицинский инженер из Калифорнийского университета в Беркли. Фогельштейн, биомедицинский инженер из Университета Джона Хопкинса, специалист по коннектомике и ведущий автор исследования, представляющего новую коннектомику.
Задача состоит в том, чтобы получить изображение всего мозга с помощью электронной микроскопии, разрезать его на сотни или тысячи отдельных образцов ткани, а затем на основе этих данных реконструировать всю нейронную схему. На сегодняшний день таким образом удалось установить только три коннектома: нематоды C. elegans, личинки асцидии Ciona intestinalis и морской аннелиды Platynereis dumerilii - организмов с относительно "простым" мозгом. Для организмов с более крупным мозгом (насекомые, рыбы, млекопитающие) до сих пор были отображены только отдельные области, представляющие крошечную часть всего мозга.
Самая совершенная на сегодняшний день карта мозга
Впервые исследователям удалось создать полный коннектомом маленького насекомого - личинки плодовой мушки (Drosophila melanogaster). Это самая полная и обширная карта мозга насекомого из когда-либо созданных: она включает 3016 нейронов и 548 000 синапсов! Это животное является идеальной моделью, поскольку оно обладает богатым поведенческим репертуаром, включая обучение и принятие решений; его коннектома позволит пролить свет на функциональные роли каждого типа нейронов и их участие в этих различных видах поведения.
Исследователи смогли провести детальный анализ архитектуры цепей мозга, включая типы связей и нейронов, а также изучили взаимодействие между двумя полушариями и между головным и спинным мозгом. На основе синаптической связи команда смогла иерархически сгруппировать нейроны в 93 отдельных типа; нейроны внутри каждого типа имели несколько общих характеристик, таких как морфология и функция.
Они обнаружили, что наиболее активные цепи в мозге включают входные и выходные нейроны центра обучения. В частности, они обнаружили, что большинство (73%) входных-выходных узлов были постсинаптическими к учебному центру или пресинаптическими к дофаминовым нейронам, стимулирующим обучение. Команда также смогла наблюдать, как определенные нейроны проецируются через полушария головного мозга, способствуя коммуникации внутри и между этими двумя частями мозга.
Исследователи объясняют, что они разработали алгоритм для отслеживания распространения сигналов по всему мозгу через полисинаптические пути, что позволило им проанализировать пути обратной связи (от сенсорного к выходному сигналу), мультисенсорную интеграцию и взаимодействие между полушариями. "Мы обнаружили обширную мультисенсорную интеграцию по всему мозгу и множество взаимосвязанных путей различной глубины между сенсорными и выходными нейронами, образующих распределенную сеть обработки", — сообщают они в журнале .
Результат 12 лет визуализации и анализа данных
Личинка плодовой мушки имеет структуры мозга, сходные со структурами мозга взрослой дрозофилы и других крупных насекомых. Таким образом, ее полный коннектомом мозга обеспечивает прочную основу для будущих экспериментальных и теоретических исследований функций мозга. "Подход и вычислительные инструменты, созданные в этом исследовании, облегчат анализ будущих коннектомов", — добавляет команда.
Однако для создания полного коннектома потребовалось более десяти лет (12 лет)! По словам команды, только на визуализацию каждого нейрона ушло около одного дня. По оценкам, мозг мыши в миллион раз больше, чем мозг личинки дрозофилы. Несмотря на масштабность задачи, исследователи, возможно, займутся изучением мозга мыши в ближайшее десятилетие.
Тем временем другие команды уже работают над картой мозга взрослой плодовой мушки. Ее сравнение с коннектомом личинки может выявить важные различия или сходства между нейронными связями во взрослом и личиночном мозге. Однако, учитывая сложность этой работы, маловероятно, что в ближайшем будущем удастся составить карту мозга, более похожего на человеческий.
Хотя детали организации мозга различаются в животном царстве, многие архитектуры нейронных цепей сохраняются. Таким образом, по мере картирования коннектомов мозга других организмов в будущем, сравнение между ними позволит выявить общие - и, следовательно, потенциально оптимальные - архитектуры, а также архитектуры, лежащие в основе поведенческих различий между организмами.
Наконец, в ходе этой работы команда заметила, что некоторые особенности нейронных схем поразительно напоминают архитектуры машинного обучения. Будущий анализ сходств и различий между мозгом и искусственными нейронными сетями может помочь понять принципы вычислений мозга и, возможно, вдохновить на создание новых архитектур машинного обучения, заключают исследователи.