Маленький мозг, большое дело: проект дрозофилы может изменить нейробиологию неврология

Исследователи создали первую электрическую схему всего мозга плодовой мухи — прорыв, который обещает произвести революцию в области нейробиологии и проложить путь к беспрецедентному пониманию того, как мозг осуществляет поведение.

Редко когда так много усилий в науке было направлено на такой небольшой объем материала, и ученым потребовались годы, чтобы составить карту извилистости всех 139 255 нейронов и 50 метров связей, упакованных в мозгу мухи размером с маковое зернышко.

В процессе исследователи классифицировали более 8400 различных типов клеток, что представляет собой первый полный список частей, необходимых для построения мозга мухи.

«Вы можете задаться вопросом, почему мы должны заботиться о мозге плодовых мух», — говорит Себастьян Сын, профессор компьютерных наук и нейробиологии в Принстонском университете и соруководитель исследовательской группы. Проект Flywire. «Мой простой ответ заключается в том, что если мы сможем по-настоящему понять, как работает любой мозг, он неизбежно расскажет нам что-то обо всех мозгах».

Сложный клубок нейронов, длина которого, если его распутать, достигнет 150 метров, был составлен посредством кропотливого процесса, который начался с разрезания мозга самки плодовой мухи на 7000 тонких ломтиков. Каждый срез был просмотрен с помощью электронного микроскопа, чтобы выявить структуры размером всего четыре миллионные миллиметра в поперечнике.

Затем исследователи обратились к искусственному интеллекту (ИИ), чтобы проанализировать миллионы изображений и проследить путь каждой нейронной и синаптической связи в крошечном органе. Поскольку ИИ допустил так много ошибок, была нанята глобальная армия ученых и волонтеров, чтобы помочь исправить ошибки и доработать карту.

Работа уже окупилась. Вооружившись проектом, исследователи обнаружили «афферентные» нейроны, которые, по всей видимости, собирают различные типы информации, и «якоря», которые могут посылать сигналы для координации активности различных нейронных цепей. Также была обнаружена определенная нервная цепь, которая при стимуляции заставляет плодовых мух останавливаться во время ходьбы.

Готовясь к будущему, исследователи использовали схему подключения, известную как нейронная сеть, для создания компьютерной симуляции части мозга мухи. Их симуляционные эксперименты позволили им идентифицировать нейронные цепи, используемые для обработки вкуса, что позволяет предположить, что будущие симуляции могут пролить больше света на то, как мозговые связи приводят к поведению животных.

«Коммуникационные технологии — это начало цифровой трансформации нейронауки», — сказал Сон. «Эта трансформация распространится на моделирование мозга». «Это будет быстрое ускорение развития нейробиологии».

Подробности проекта, в котором приняли участие исследователи из Канады, Германии, Лаборатории молекулярной биологии MRC и Кембриджского университета в Великобритании, опубликованы в Интернете. Девять листьев в природе. В сопроводительной статье доктор Анита Девинени, нейробиолог из Университета Эмори в Атланте, назвала схему подключения «знаковым достижением».

Уже началась работа по созданию полной схемы подключения мозга мыши, которую исследователи надеются завершить в течение пяти-десяти лет. Но повторить этот подвиг на всем человеческом мозге с его 86 миллиардами нейронов и триллионами связей – это другой вопрос. Человеческий мозг примерно в миллион раз сложнее, чем у плодовой мухи, поэтому полная схема соединений находится за пределами досягаемости для практической работы с современными технологиями. Для этого также потребуется немалая память: по оценкам ученых, она составит зеттабайт данных, что эквивалентно всему мировому интернет-трафику за год.

Более реалистичный подход — составить карту нейронных связей в частях человеческого мозга. Это исследование может в конечном итоге пролить свет на то, лежат ли неправильные связи в основе нервно-психических и других заболеваний головного мозга. «Мы просто не можем исправить то, чего не понимаем, и именно поэтому мы считаем, что сегодня важный момент», — сказал доктор Джон Нгай, директор Инициативы по развитию мозга Национального института здоровья США.

«Перед нами явно стоит большая задача».