Первая карта мозга насекомого
Полный набор нейронов в мозгу насекомого, реконструированный с помощью электронной микроскопии с разрешением синапсовJHU
Международная команда создала потрясающе подробную диаграмму, отслеживающую каждую нейронную связь в мозге личинки плодовой мушки, архетипическую научную модель мозга, сравнимого с человеческим.
Работа, которая, вероятно, ляжет в основу будущих исследований мозга и вдохновит на создание новых архитектур машинного обучения, опубликована в журнале Science.
«Прошло 50 лет с начала подобных исследований, и это первый коннектом мозга. Это знак того, что мы можем это сделать»
«Если мы хотим понять, кто мы и как мы думаем, для этого необходимо понимание механизма мышления, — сказал руководитель исследования в Университете Джона Хопкинса Джошуа Т. Фогельштейн, который специализируется на проектах коннектомики — связей нервной системы. — И ключом к этому является знание того, как нейроны соединяются друг с другом».
Первая попытка составить карту мозга — 14-летнее исследование круглых червей, начатое в 1970-х годах, — привело к составлению частичной карты и Нобелевской премии. С тех пор частичные коннектомы были картированы во многих системах, включая мух, мышей и даже людей, но эти реконструкции обычно представляют лишь небольшую часть всего мозга. Полноценные коннектомы были получены только у нескольких мелких видов, имеющих от нескольких сотен до нескольких тысяч нейронов в теле: у круглых червей, личинки асцидии и личинки морского кольчатого червя.
Составленный этой командой коннектом детеныша плодовой мушки, личинки Drosophila melanogaster, является наиболее полной, а также самой обширной картой всего мозга насекомого из когда-либо созданных. Она включает в себя 3016 нейронов и каждую связь между ними, всего 548 000 связей.
«Прошло 50 лет с начала подобных исследований, и это первый коннектом мозга. Это знак того, что мы можем это сделать», — сказал Фогельштейн.
Диаграмма, изображающая связность, где нейроны представлены в виде точек и нейроны с более похожими связями нанесены ближе друг к другу. Линии изображают связи между нейронами
JHU
Картирование всего мозга — дело сложное и требующее очень много времени, даже с использованием лучших современных технологий. Получение полной картины мозга на клеточном уровне требует разрезания мозга на сотни или тысячи отдельных образцов ткани, каждый из которых должен быть визуализирован с помощью электронных микроскопов, прежде чем начнется кропотливый процесс реконструкции всех этих фрагментов, нейрон за нейроном, в полную картину — в четкий портрет мозга. На то, чтобы сделать это с детенышем плодовой мушки, ушло 12 лет. По оценкам исследователей, мозг мыши в миллион раз больше, чем у детеныша плодовой мушки, а это означает, что картирование чего-либо близкого к человеческому мозгу в ближайшем будущем маловероятно.
Команда намеренно выбрала личинку плодовой мухи, потому что этот вид имеет много общего с человеческой фундаментальной биологией, включая сопоставимую генетическую основу. Он также обладает богатыми способностями к обучению и принятию решений, что делает его полезным модельным организмом в нейробиологии. А для практических целей его относительно компактный мозг можно визуализировать и реконструировать его схемы в разумные сроки.
Тем не менее работа, как уже упоминалось выше, заняла у Кембриджского университета и Университета Джона Хопкинса 12 лет. Одна только визуализация занимала около дня на нейрон.
Исследователи из Кембриджа создали изображения мозга с высоким разрешением и вручную изучили их, тщательно отслеживая каждый из нейронов и его синаптические связи.
В конце концов была составлена схема каждого нейрона и каждой связи и классифицирован каждый нейрон по роли, которую он играет в мозге. Исследователи обнаружили, что самыми загруженными цепями мозга были те, которые вели к нейронам «учебного центра» и от них.
По оценкам исследователей, мозг мыши в миллион раз больше, чем у детеныша плодовой мушки, а это означает, что картирование чего-либо близкого к человеческому мозгу в ближайшем будущем маловероятно
Как сказал Фогельштейн, несмотря на проблемы, ученые, как ожидается, возьмутся за мышь, возможно, в пределах следующего десятилетия. Другие команды уже работают над картой мозга взрослых плодовых мушек.
Работа над мозгом личинки плодовой мухи показала особенности его схемы, которые поразительно напоминали архитектуры машинного обучения. Команда ожидает, что дальнейшее изучение раскроет еще больше вычислительных принципов и вдохновит на создание новых систем искусственного интеллекта.
«То, что мы узнали о мозге плодовых мушек, безусловно повлияет на изучение мозга человека», — сказал Джошуа Фогельштейн.
Источник: https://stimul.online/articles/science-and-technology/pervaya-karta-mozga-nasekomogo/