Чтобы понять, как мозг управляет поведением, ученые строят все более сложные копии нервной системы

Чтобы понять, как мозг управляет поведением, ученые строят все более сложные копии нервной системы. Такая модель, «схема электропроводки» организма, включающая все нейроны и все их соединения (синапсы), называются коннектомом. Существует несколько конкурирующих мегапроектов с очень серьезным финансированием, занимающихся исследованиями коннектомов. До сих пор самым сложным полностью воссозданным коннектомом была нервная система личинки дрозофилы, которую разрезали на крошечные сегменты и с помощью электронной микроскопии 12 лет наносили на карту все ее три тысячи нейронов и полмиллиона синапсов. Это исследование вышло в 2023 и дало очень интересные результаты (я о них писал, ссылка в комментарии).

А вчера в Nature вышла серия статей (сразу 11 работ, включая редакционную статью, - никогда такого не видел) по материалам исследований международной коллаборации FlyWire, за 10 с лишним лет составившей с помощью ИИ и добровольцев со всего мира полный коннектом мозга теперь уже взрослой дрозофилы.

Мозг плодовой мушки меньше макового зернышка. Но по сравнению с ее личинкой, достигнут огромный прогресс – коннектом взрослой мухи включает описание около 140 тысяч нейронов и 55 миллионов синапсов (для сравнения, в нашем мозгу – 86 миллиардов нейронов и 100 триллионов соединений).

Оказалось, мозг плодовой мушки состоит в основном из нейронов, которые принимают сигналы от глаз и обрабатывают их, - этим заняты две большие доли мозга, расположенные по бокам от его центральной части. То есть основная задача большинства нейросетей в этом простом мозге – создавать и анализировать картину мира, формируемую на основе зрительной информации.

Еще любопытно, что в мозгу гораздо больше афферентных нейронов (отправляющих сенсорную информацию в мозг), чем эфферентных (отдающих команды мозга мышцам) - первых 13.9%, а вторых лишь 1.1%. Формировать картину мира намного сложнее, чем управлять полетом.

Связи между отдельными нейронами в большинстве своем включали менее 10 синапсов, но есть привилегированные нейроны и соединения (помните "нейрон Путина" из поста про гиппокамп?), - почти 16 тысяч таких соединений содержали более ста синапсов, и лишь 27 «самых влиятельных» — более тысячи синапсов.

Ученые выделили 8453 типа нейронов, основываясь на их форме, - теперь это крупнейший каталог типов нейронов (в человеческом мозге идентифицировали только 3300 типов клеток).

Но еще важнее то, что эта карта уже используется для создания интерактивных моделей мозга, - ученые научились симулировать взаимодействие части этих нейронов и поняли, что и как именно делают некоторые из этих типов клеток. Парочка типов, например, отдают команду шагающим мухам остановиться – каждый своим способом.

А ученые из Калифорнийского университета в Беркли создали на основе этой карты работающую модель некоторых сетей мозга мухи, - в ней виртуальные нейроны обмениваются сигналами. Смоделированный мозг, например, реагирует на пищу. Хоботок мухи, похожий на язык, покрыт нейронами, чувствительными к сахару. Виртуальный мозг делал то, что делал бы настоящий мозг: он приказывал хоботку выдвинуться, чтобы муха могла есть. А если модель мухи чувствовала вкус сахара только с правой стороны хоботка, мозг посылал команды согнуть его вправо.

Для ученых, создающих подобные модели, FlyWire разработала «поисковую систему по мозгу» - Codex (Connectome Data Explorer), который позволяет любому человеку перемещаться по всем нейронам и синаптическим путям на карте мозга дрозофилы.

В Nature называют работу «монументальным достижением», и пишут, что «теперь, когда у нас в руках коннектом, понимание того, как нервная система генерирует поведение, становится гораздо более достижимым». По крайней мере, для мухи )

А исследователи уже приступают к гораздо более амбициозной работе: созданию карты мозга мыши, которая содержит примерно в 1000 раз больше нейронов.

Источник: vk.com

Комментарии: