Ученые составили первую карту мозга насекомого
Исследователи завершили самую сложную на сегодняшний день карту мозга насекомого, что является знаковым достижением в нейробиологии, которое приближает ученых к истинному пониманию механизма мышления, 9 марта сообщает журнал Science.
Международная команда под руководством Университета Джона Хопкинса и Кембриджского университета создала потрясающе подробную диаграмму, отслеживающую каждую нейронную связь в мозге личинки плодовой мушки, архетипическую научную модель с мозгом, сравнимым с человеческим.
Работа, вероятно, ляжет в основу будущих исследований мозга и вдохновит на создание новых архитектур машинного обучения.
«Если мы хотим понять, кто мы и как мы думаем, частью этого является понимание механизма мышления», — сказал старший автор Джошуа Т. Фогельштейн, биомедицинский инженер Университета Джона Хопкинса, который специализируется на проектах, управляемых данными.
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. Комплексные коннектомы были созданы только для нескольких мелких видов с количеством нейронов в теле от нескольких сотен до нескольких тысяч — аскариды, 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. Он включает в себя 3016 нейронов и каждую связь между ними: 548 000.
«Прошло 50 лет, и это первый коннектом мозга. Это знак, что мы можем это сделать», — сказал Фогельштейн.
Картирование всего мозга сложно и требует 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. На то, чтобы сделать это с детенышем плодовой мушки, ушло более десяти лет. По оценкам, мозг мыши в миллион раз больше, чем у детеныша плодовой мушки, а это означает, что шанс на картирование чего-либо близкого к человеческому мозгу маловероятен в ближайшем будущем, возможно, даже при нашей жизни.
Команда ученых намеренно выбрала личинку плодовой мухи, потому что для насекомого 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 заняла у Кембриджского университета и 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, чтобы найти отдельные нейроны, тщательно отслеживая каждый из них и связывая их синаптические связи.
Кембридж передал данные Джону Хопкинсу, где команда провела более трех лет, используя оригинальный код, который они создали для анализа связей мозга. Команда Университета Джона Хопкинса разработала методы поиска групп нейронов на основе общих паттернов связи, а затем проанализировала, как информация может распространяться через мозг.
В конце концов, вся команда составила схему каждого нейрона и каждой связи и классифицировала каждый нейрон по роли, которую он играет в мозге. Они обнаружили, что самыми загруженными цепями мозга были те, которые вели к нейронам учебного центра и от них.
