Впервые создана полная карта каждого нейрона в мозге
Представьте, что вы смотрите на замысловатую, но красивую карту целого города, а город на самом деле является мозгом. Звучит захватывающе, не правда ли? Теперь ученые сделали это реальностью.
Эксперты создали первую в истории электрическую схему, или «коннектом», каждого нейрона в мозге взрослого человека, а также 50 миллионов связей между ними, что стало важной вехой в области нейронаук.
Полная электрическая схема мозга
Проект стал возможен благодаря консорциуму FlyWire - крупному международному сотрудничеству, в котором участвуют ученые из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Принстонского университета, Университета Вермонта и Кембриджского университета.
Исследование, опубликованное в паре статей в журнале Nature, представляет собой первую полную электрическую схему всех 139 255 нейронов в мозге взрослой мухи - животного, способного ходить и видеть.
Предыдущие исследования позволили составить схему более мелких систем мозга, таких как личинка плодовой мухи с 3016 нейронами или червь-нематода с 302 нейронами. Однако нынешнее исследование открывает новые горизонты, предлагая полномасштабную нейронную карту для более сложного организма.
Продолжающиеся исследования в области нейронаук
Полученные результаты дают ценное представление о структуре и функционировании мозга, обеспечивая жизненно важное сравнение для текущих исследований в области нейронаук.
«Если мы хотим понять, как работает мозг, нам нужно механистическое понимание того, как все нейроны соединяются друг с другом и позволяют вам думать. Для большинства мозгов мы понятия не имеем, как функционируют эти сети», - отметил соавтор исследования доктор Грегори Джефферис.
Подробная карта мозга мухи может ответить на многие из этих вопросов, раскрывая хитросплетения нейронных цепей».
Сходства в проводке мозга
Одно из самых замечательных открытий исследования - значительное сходство в проводке, которое было обнаружено между нынешней картой и предыдущими, менее масштабными работами.
Это позволило сделать вывод о том, что отдельные мозги имеют сходство в своей проводке - вопреки мнению о том, что каждый мозг представляет собой уникальную структуру.
Путь к созданию карты мозга
Путь к этому достижению включал в себя нарезку целого мозга мухи, ширина которого составляет менее миллиметра, на 7 000 тонких срезов.
Затем эти срезы были тщательно отсканированы с помощью электронной микроскопии высокого разрешения, чтобы получить форму примерно 140 000 нейронов и 50 миллионов связей между ними.
Сила искусственного интеллекта
Задача анализа такого огромного количества данных была решена с помощью машинного обучения, что продемонстрировало потенциал технологии искусственного интеллекта для революции в нейронауках.
Для обеспечения точности данных потребовалось около 33 человеко-лет на вычитку. Несмотря на трудности, результат этой кропотливой работы проложил путь к будущим открытиям в нейронауке.
Помимо установления связей между нейронами, исследователи также интерпретировали многие детали электрической схемы - например, классифицировали более 8000 типов клеток в мозге.
«Этот набор данных похож на Google Maps, только для мозга: необработанная схема соединений между нейронами - это как знание того, какие структуры на спутниковых снимках Земли соответствуют улицам и зданиям», - пояснил доктор Филипп Шлегель, первый автор одного из исследований.
Моделирование работы мозга
Работа исследователей выходит за рамки простого картирования. Они также использовали технологию сканирования изображений с помощью искусственного интеллекта, чтобы предсказать, является ли каждый синапс тормозным или возбуждающим - важнейший аспект для цифрового моделирования мозга.
«Используя наши данные, которыми мы делились в Интернете по мере работы, другие ученые уже начали пытаться смоделировать, как мозг мухи реагирует на внешний мир», - говорит доктор Джефферис.
«Это важное начало, но нам потребуется собрать множество различных данных, чтобы создать достоверное моделирование работы мозга».
Будущие направления исследований
Это исследование, несомненно, произвело революцию в нашем понимании мозга, но путь еще далек от завершения. В будущем мы будем изучать различия в структуре нейронов в мозге самцов и самок мух.
«Всеобъемлющий характер нашей электрической схемы имеет значительные преимущества для изучения мозга и позволяет проводить многие виды исследований, которые ранее были невозможны при использовании электрических схем отдельных участков мозга мухи», - отмечают исследователи.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
