Важный этап в коннектомике - картирование всего мозга самца плодовой мушки

Перевод статьи с официального сайта Google Research от 3 сентября 2026 г "A connectomics milestone: Mapping the complete male fruit fly brain", авторы Михал Янушевский и Вирен Джейн, ученые-исследователи Google Research. Литературный перевод выполнен Администратором группы самостоятельно, но стиль письма авторов сохранен.

В сотрудничестве с HHMI Janelia и другими исследователями мы опубликовали полную карту головного мозга и центральной нервной системы самца плодовой мушки, создав самую большую на сегодняшний день карту головного мозга. Вместе с продолжающимися исследованиями других видов, таких как рыбы и мыши, эти карты нейронных связей начинают раскрывать механизмы работы всех типов мозга.

Обыкновенная плодовая мушка, Drosophila melanogaster, сыграла центральную роль в научных исследованиях, заслуживших множество Нобелевских премий. Благодаря своему стереотипному поведению и короткому жизненному циклу, плодовые мушки стали фундаментальным модельным организмом в генетике и обещают сделать то же самое для нейробиологии. Хотя мышление этого любящего фрукты насекомого может показаться далеким от человеческого сознания, мозг совершенно разных видов имеет много общего. Поскольку картирование 86 миллиардов нейронов человеческого мозга пока невозможно, ученые используют искусственный интеллект для картирования мозга более мелких организмов, таких как плодовые мушки. Это поможет нам расшифровать, как нервные системы животных воспринимают мир, реагируют на стимулы и как поврежденные нейронные пути могут быть восстановлены.

В рамках проекта, возглавляемого Исследовательским кампусом Джанелия Института медицинских исследований Говарда Хьюза (HHMI), наша команда и ее коллеги опубликовали полную схему связей головного мозга и центральной нервной системы самца плодовой мушки. Статья "Половой диморфизм в полном коннектоме центральной нервной системы самца дрозофилы", опубликованная в журнале Cell, является результатом десятилетнего сотрудничества. Оно использует вычислительные технологии и искусственный интеллект для создания карт головного мозга в клеточном масштабе ради развития коннектомики. Эта карта, содержащая более 166 000 нейронов и 125 миллионов синаптических связей, является самой большой картой головного мозга по количеству нейронов на сегодняшний день, предоставляя ученым фундаментальный ресурс использования плодовых мушек в качестве модельного организма для изучения работы головного мозга.

Коннектом самца плодовой мушки также включает вентральный нервный узел, аналогичный спинному мозгу и, таким образом, начинает выходить за рамки только головного мозга, охватывая то, как головной мозг контролирует тело. Коннектом самца мушки был аннотирован и проверен группой экспертов-людей из HHMI Janelia. Его можно просмотреть, изучить и загрузить с помощью Neuroglancer, инструмента с открытым исходным кодом, который мы создали, чтобы позволить исследователям визуализировать огромные многомерные наборы данных.

Эта новая карта мозга дополняет карту мозга самки плодовой мушки. Наличие карт мозга и центральной нервной системы как самцов, так и самок позволяет сравнивать их в местах, где нейроны различаются и использовать эти данные для изучения биологических механизмов ухаживания и агрессии мушек. В тех частях мозга, которые схожи у обоих полов, наличие двух полных коннектомов позволит исследователям начать изучать вариативность между отдельными особями.

Картирование мозга, или коннектомика, начинается с разделения мозга на миллионы тонких срезов, получения изображения каждого среза и последующего объединения изображений с помощью компьютеров и искусственного интеллекта. Наши исследователи создают системы, которые используют ИИ для преобразования плоских изображений, полученных с помощью электронного микроскопа, в трехмерные реконструкции, используя постоянно совершенствующийся набор методов генерации точных форм нейронов.

Наши инструменты коннектомики на основе ИИ включают сети заполнения пустот, которые используют сверточные нейронные сети. Они начинают с одного пикселя и идентифицируют все остальные пиксели, являющиеся частью одного объекта. В 2019 году наша команда по коннектомике выпустила первоначальную, созданную полностью автоматизированным способом реконструкцию мозга самки плодовой мухи. К 2020 году наша команда выпустила проверенную людьми карту половины мозга самки плодовой мушки с 25 000 нейронами и 21 миллионом связей, что на тот момент было рекордом. Тем временем команда уже работала над полной, проверенной картой мозга самца плодовой мушки, которая теперь завершена.

Эти методы продолжают совершенствоваться. В недавнем исследовании в обучающих данных были использованы синтетические нейроны, что позволило успешно повысить скорость и точность нашей современной системы реконструкции PATHFINDER. Мы также помогаем разрабатывать новые методы маркировки и аннотации конкретных типов нейронов. В настоящее время картирование мозга плодовой мушки требует многолетней работы людей только для проверки и аннотирования формы нейронов. Сокращение необходимости ручной коррекции ошибок позволит исследовательским группам браться за еще более масштабные проекты по картированию мозга в рамках разумных бюджетов и сроков.

Область коннектомики уже осваивает позвоночных: организмы со спинным мозгом. Анатомически, эволюционно и функционально они более похожи на человека. В исследовании, проведенном под руководством Колумбийского университета и опубликованном на этой неделе в журнале Nature, наша команда помогла составить карту части заднего мозга рыбы-слононоса. В статье "Коннектомный анализ мозжечковоподобной цепи для сенсорного прогнозирования" впервые показано, как коннектом, статический ресурс, может быть объединен с другой информацией для изучения нейронной пластичности и обучения, создавая наиболее полную на сегодняшний день механистическую модель обучения в мозге позвоночных.

Мальки рыбы данио-рерио - одни из немногих позвоночных, мозг которых достаточно мал, чтобы его можно было картировать от начала до конца с помощью нынешних методов. Кроме того, данио-рерио обладают преимуществом прозрачности на мальковой стадии, что позволяет измерять нейронную активность во время экспериментов, как это зафиксировано в наборе данных ZAPBench. Наша предстоящая статья совместно с Гарвардом "Коннектомический ресурс для каталогизации нейронов и изучения нейронных цепей в мозге малька данио-рерио" представляет собой первый набор данных всего мозга позвоночного животного, включающий нейронную и молекулярную структуру, охватывающие весь мозг позвоночного. Наша команда также выпустила предварительную версию набора данных, объединяющего нейронную активность и структуру мозга в одном и том же мозге малька данио-рерио, в качестве открытого ресурса для исследовательского сообщества.

Коннектом самца плодовой мушки является основополагающим ресурсом, который зарождает новую эру экспериментальной нейронауки с будущими применениями в биологии, фармацевтике и медицине. Три статьи, опубликованные сегодня, показывают, как коннектом самца плодовой мушки уже использовался в нейронаучных исследованиях зрительных систем, вкуса и социального поведения. Разработанные здесь методы также помогут продвинутся дальше и другим проектам, таким как предстоящая полностью проверенная карта мозга рыбки данио и картирование части мозга мыши. Хотя моделирование 86 миллиардов нейронов в человеческом мозге пока остается недостижимым, мы движемся к пониманию того, как функционирует мозг и пониманию процессов, лежащих в основе психических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, депрессия или шизофрения. Мы надеемся, что когда-нибудь эти усилия приведут к новым способам лечения когнитивных расстройств, улучшению здоровья мозга и возможностям его восстановления.

От переводчика: вы тоже не с первого раза прочитали "рыба-слононос", а еще до этой статьи не знали, кто такой этот ваш данио-рерио? И привет всем адептам оцифровки мозга, я теперь тоже в вашем строю!?

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: