Учёные составили первую карту мозга насекомого

Международная команда во главе с Университетом Джона Хопкинса и Кембриджским университетом составила подробную схему, проследив все нейронные связи в мозге личинки плодовой мушки.

Публикация о результатах исследования появилась в журнале Science. Новая работа вероятно, послужит основой для будущих исследований мозга и вдохновит на создание новых архитектур машинного обучения.

Старший автор научной работы — Джошуа Фогельштейн, инженер биомедицины из Университета Джона Хопкинса. Он специализируется, в том числе на коннектомике, то есть на изучении связей нервной системы. Термин «коннектом» означает структуру нервной системы.


— Джошуа Фогельштейн, инженер биомедицины из Университета Джона Хопкинса.

Первая попытка картирования мозга — начатое в 1970-х годах и длившееся 14 лет исследование круглого червя, которое привело к частичной карте мозга и Нобелевской премии. С тех пор на карты были нанесены частичные коннектомы мух, мышей и даже людей. Но эти реконструкции обычно представляли собой лишь крошечную часть от всего мозга. А комплексные коннектомы были созданы только для нескольких биологических видов, с несколькими сотнями или несколькими тысячами нейронов: круглого червя, личинок оболочников и морских кольчатых червей.

На титульном видео к этой новости — визуализация поперечных срезов мозга с показом реконструированных нейронов. Коннектом личинки дрозофилы, составленный учёными, стал наиболее полной и самой обширной картой всего мозга насекомого за всю историю подобных исследований. Структура нервной системы включает 3 016 нейронов и все связи между ними, а именно 548 000. Работа ознаменовала результат 50-летних исследований в этой сфере как таковых, подчеркнул Джошуа Фогельштейн.

Картирование всего мозга является сложной и чрезвычайно трудоёмкой задачей, даже с использованием лучших современных технологий. Для полного понимания мозга на клеточном уровне требуется разрезать его на сотни или тысячи отдельных образцов ткани, каждый из которых должен быть запечатлён с помощью электронного микроскопа. А затем начинается кропотливый процесс сборки всех этих фрагментов, нейрон за нейроном, в полный, точный портрет мозга. Потребовалось более десяти лет, чтобы сделать это с личинкой дрозофилы.

Мозг мыши, по оценкам учёных, в миллион раз больше, чем у потомства плодовой мушки. А это означает, что вероятность картирования чего-либо близкого к человеческому мозгу в ближайшем будущем маловероятна.

Учёные намеренно выбрали личинку дрозофилы, потому что среди насекомых этот вид имеет сходство в фундаментальной биологии с человеком, включая сопоставимую генетическую основу. Плодовые мушки также хорошо исследованы в смысле обучения и принятия решений, что делает их полезным модельным организмом в неврологии. В практических целях было реальным получить изображение лишь относительно компактного мозга и распознать его структуру в разумные сроки. Впрочем, работа заняла у Кембриджского университета и Университета Джона Хопкинса 12 лет. Только на визуализацию одного нейрона уходило около суток.

Кембриджские исследователи создали изображения мозга с высоким разрешением и вручную изучили их, чтобы найти отдельные нейроны, тщательно отслеживая каждый из них, включая синаптические связи. Затем Кембридж направил данные в Университет Джона Хопкинса, где команда провела более трёх лет, используя оригинальный код, который они создали для анализа связей мозга. Команда Джона Хопкинса разработала методы поиска групп нейронов на основе общих шаблонов, а затем проанализировала, как информация может распространяться через мозг. Коннектом показывает, как нейроны взаимодействуют внутри каждого полушария и между полушариями мозга.

В конце концов, вся команда нанесла на карту каждый нейрон и каждую связь и классифицировала каждый нейрон по роли, которую он играет в мозге. Они обнаружили, что самыми загруженными контурами мозга были те, которые вели к нейронам центра обучения и от них.

Методы, разработанные в Университете Джона Хопкинса, применимы к любому проекту связей в головном мозге, и их код доступен любому, кто попытается составить карту ещё более крупного мозга животного, сказал Фогельштейн. И добавил, что, несмотря на трудности, учёные планируют взяться за аналогичное исследование мозга мыши, возможно, в течение следующего десятилетия.

Другие команды уже работают над картой мозга взрослой плодовой мушки. Соавтор исследования Бенджамин Педиго, кандидат наук из Джона Хопкинса в области биомедицинской инженерии, ожидает, что созданный код поможет сравнить связи во взрослом и личиночном мозге.

Работа с личинками дрозофилы показала схему, особенности которой поразительно напоминают известные архитектуры машинного обучения. Учёные ожидают, что продолжение исследований позволит выявить ещё больше вычислительных принципов и вдохновит на создание новых систем искусственного интеллекта.

На втором видео — полный набор нейронов в мозге насекомого, которые были реконструированы с помощью электронной микроскопии с синапсным разрешением.