Первое полное картирование мозга дрозофилы
Недавно было завершено первое полное картирование нейронов и синаптических связей плодовой мухи. Эта грандиозная работа принадлежит международному консорциуму Flywire Consortium. Создание коннектома представляет собой крупное достижение в области нейронаук и, несомненно, приведет к лучшему пониманию человеческого мозга.
Лечение нейродегенеративных заболеваний, таких как деменция (включая болезнь Альцгеймера) и болезнь Паркинсона, до сих пор является экспериментальным и недостаточно эффективным. Сложность человеческого мозга и недостаточное понимание схем, из которых он состоит, затрудняют разработку целенаправленных методов лечения. «Чтобы понять, как мозг генерирует восприятие, мысли и действия, крайне важно понять, как информация проходит от сенсорных рецепторов до моторных выходов», — объясняет доктор Мала Мурти, соруководитель проекта Flywire в Принстонском университете.
Предыдущие исследования позволили частично картировать мозг личинки плодовой мухи, состоящий из 3016 нейронов, а также мозг червя нематоды, состоящий из 302 нейронов. Также было опубликовано частичное картирование мозга мыши. Однако новый полный коннетом плодовой мухи (или дрозофилы), созданный в рамках проекта Flywire, является первым, в котором подробно описан весь мозг взрослого насекомого. Ученые определили расположение, форму и связи 139 255 нейронов в мозге Drosophila melanogaster, а также 50 миллионов синапсов, которые их соединяют.
Для достижения этой цели исследователям из консорциума Flywire потребовалось десять лет работы в лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям (MRC), Принстонского университета, Университета Вермонта и Кембриджского университета. Взрослая дрозофила была выбрана из-за ее важности для нейронаук. Эта муха, способная ходить и летать, также демонстрирует сложные формы поведения, такие как обучение и хорошая память. Самцы даже могут «петь», чтобы привлечь самок.
«Почему нас должен интересовать мозг плодовой мухи?» - спрашивает в пресс-релизе Себастьян Сеунг, профессор информатики и неврологии Принстонского университета и один из руководителей проекта Flywire. «Если нам удастся понять один мозг, это обязательно научит нас чему-то обо всех мозгах».
Тщательный и сложный процесс
Для создания коннектома исследователи начали с того, что разрезали мозг плодовой мушки, размером не больше макового зернышка, на 7 000 участков. Каждый участок фотографировали с помощью микроскопа высокого разрешения, фиксируя структуры толщиной не менее 40 нанометров. Полученные изображения затем собирались в трехмерное изображение мозга.
Анализ почти 100 терабайт изображений, чтобы проследить путь 139 255 нейронов и их 50 миллионов синаптических связей, — сложный процесс. Поэтому исследователи обратились к искусственному интеллекту. Грегори Джефферис из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже объясняет: «Мы начали с ручной идентификации нейронов, но это потребовало бы более 4 000 лет работы человека».
Однако модели искусственного интеллекта, хотя и обученные на основе работы ученых, допускали ошибки при реконструкции нейронов, что требовало ручного вмешательства для их исправления. После этого команда открыла данные для научного сообщества, предоставив исследователям и добровольцам возможность сотрудничать (с 2019 года) для анализа и аннотирования результатов работы моделей ИИ.
Когда коннектома была завершена, ученые смогли обозначить различные типы нейронов и синаптических связей, классифицировав более 8 400 различных типов клеток. «Этот набор данных можно сравнить с Google Maps, но для мозга: схема соединений между нейронами позволяет определить, какие структуры на спутниковых снимках Земли соответствуют улицам и зданиям», — объясняет доктор Филипп Шлегель из лаборатории MRC. Эта новая карта предоставляется мировому научному сообществу для будущих исследований.
Схема мозга также позволила исследователям сделать несколько многообещающих открытий. Например, они выявили нейроны, которые объединяют различные типы информации, и другие, называемые диффузорами, которые координируют деятельность нейронных цепей. Нейроны, участвующие в движении, были расположены в основании мозга, а нейроны, обрабатывающие зрение, — латерально. Использование искусственного интеллекта также позволило лучше понять роль нейротрансмиттеров в усилении или подавлении сообщений нейронов. Подробности проекта Flywire были опубликованы в девяти статьях в журнале .
По мнению исследователей, коннектома дрозофилы послужит трамплином для картирования более сложных мозгов, в частности человеческого мозга с его 86 миллиардами нейронов и ста тысячами миллиардов синапсов.
На сегодняшний день на карту нанесен только один кубический миллиметр человеческого мозга. Следующим шагом консорциума Flywire станет полное картирование мозга мыши — проект, который сейчас находится в стадии реализации и должен быть завершен через пять-десять лет. «Задача расшифровки работы мозга остается титанической», — заключает Джон Нгай, директор Инициативы по изучению мозга в Национальном институте здоровья США.
