Получена первая полная карта мозга насекомого

В стремлении понять, как мы думаем, «все шло к этому».

Исследователи завершили самую сложную на сегодняшний день карту мозга насекомого, что является знаковым достижением в нейробиологии, которое приближает ученых к истинному пониманию механизма мышления.

«Прошло 50 лет, и это первый коннектом мозга. Это флаг на песке, что мы можем это сделать». — Джошуа Т. Фогельштейн, доцент Инженерной школы Уайтинга.

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, которая, вероятно, ляжет в основу будущих исследований мозга и вдохновит на разработку новых архитектур машинного обучения , опубликована сегодня (10 марта 2023 г.) в журнале Science .

«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, включая коннектомику. 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 частичной карте и Нобелевской премии. С тех пор частичные коннектомы были нанесены на карту 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 и самой обширной картой всего мозга насекомого из когда-либо созданных. Он включает в себя 3016 нейронов и каждую связь между ними: 548000.

«Прошло 50 лет, и это первый коннектом мозга. То, что мы можем это сделать, — это знак на песке», — сказал Фогельштейн. «Все работало до этого».

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. , четкий портрет мозга. 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 намеренно выбрала личинку плодовой мухи, потому что для насекомого этот вид имеет большую часть своей фундаментальной биологии с людьми, 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.

Методы, разработанные Джоном Хопкинсом, применимы к любому проекту соединения мозга, и их код доступен любому, кто попытается нанести на карту даже более крупный мозг животного, сказал Фогельштейн, добавив, что, несмотря на проблемы, ученые, как ожидается, возьмутся за мышь, возможно, в пределах следующее десятилетие. Другие команды уже работают над картой мозга взрослых плодовых мушек. Соавтор Бенджамин Педиго, докторант Университета Джона Хопкинса в области биомедицинской инженерии, ожидает, что код команды может помочь выявить важные сравнения между связями в мозге взрослых и личинок. Поскольку коннектомы генерируются для большего количества личинок и других родственных видов, Педиго ожидает, что их методы анализа могут привести к лучшему пониманию вариаций в проводке мозга.

Работа личинки плодовой мухи показала особенности схемы, которые поразительно напоминали выдающиеся и мощные архитектуры машинного обучения. Команда ожидает, что дальнейшее изучение раскроет еще больше вычислительных принципов и потенциально вдохновит на создание новых систем искусственного интеллекта.

«То, что мы узнали о коде плодовых мушек, повлияет на код человека», — сказал Фогельштейн. «Вот что мы хотим понять — как написать программу, которая ведет к сети человеческого мозга».

Источник: vk.com

Комментарии: