Обнаружена первая полная карта каждого нейрона мозга

Представьте себе, что вы смотрите на сложную и красивую карту целого города, но на самом деле город — это мозг. Звучит здорово, не так ли? Что ж, ученые теперь сделали это реальностью.

Эксперты создали первую в истории электрическую схему, или «нейронную сеть», каждого нейрона в мозгу взрослого человека, а также 50 миллионов связей между ними, что стало важной вехой в области нейробиологии.

Полная схема подключения мозга

Этот проект стал возможен благодаря Консорциуму FlyWire, крупному международному сотрудничеству с участием ученых со всего мира. МРЦ Лаборатория молекулярной биологии В Кембридже, Принстонском университете, Университете Вермонта и Принстонском университете. Кембриджский университет.

Исследование, опубликованное в паре статей в журнале природаПредставлена ​​первая полная диаграмма связей всех 139 255 нейронов в мозгу взрослой мухи – животного, способного ходить и видеть.

Предыдущие исследования картировали более мелкие системы мозга, такие как личинка плодовой мухи, которая содержит 3016 нейронов, или червь-нематода, который содержит 302 нейрона.

Однако нынешнее исследование открывает новые горизонты, предоставляя полномасштабную нейронную карту более сложного организма.

Человеческий мозг против мозга мухи

Картирование каждого нейрона мозга взрослой плодовой мухи — ключевой шаг в понимании того, как работает мозг, в том числе наш собственный.

У плодовой мухи около 140 000 нейронов — небольшое количество по сравнению с 86 миллиардами нейронов в человеческом мозге, что значительно облегчает изучение.

Ученые могут быстро разводить и модифицировать плодовых мушек, позволяя им манипулировать генетикой и наблюдать, как изменения влияют на нейронные цепи и поведение.

Эта простота помогает исследователям раскрыть основные принципы функционирования мозга, не увязая в слишком сложных вопросах.

Карты мозга дают представление о человеческом мозге

Интересно, что многие биологические процессы у плодовых мух очень похожи на таковые у человека. Гены и пути, которые контролируют развитие мозга, нейронные связи и обучение, часто сохраняются у разных видов.

Составив карту мозга плодовой мухи, ученые смогут узнать, как эти процессы работают в более простой системе, а затем применить эти знания к более сложному мозгу.

Кроме того, понимание того, как общаются нейроны мух, позволяет выявить общие закономерности организации и поведения нейронных цепей, что также может помочь нам понять поведение и когнитивные функции человека.

Наконец, инструменты и методы, разработанные для картирования мозга дрозофилы, проложили путь к прорывам в нейробиологических исследованиях. Инновации в области визуализации, генетических манипуляций и анализа данных исследований дрозофилы могут быть адаптированы для изучения более сложного мозга, включая наш собственный.

Данные о плодовых мушках также могут помочь смоделировать неврологические заболевания и нарушения развития, что приведет к созданию потенциальных методов лечения людей.

Продолжающиеся исследования в области нейробиологии

Результаты дают ценную информацию о структуре и функциях мозга, обеспечивая жизненно важное сравнение с текущими исследованиями в области нейробиологии.

«Если мы хотим понять, как работает мозг, нам нужно механистическое понимание того, как все нейроны соединяются друг с другом и позволяют нам думать. Для большинства мозгов мы понятия не имеем, как работают эти сети.

Подробная карта мозга мухи могла бы ответить на многие из этих вопросов и раскрыть сложности нейронных цепей.

Сходства в проводке мозга

Одним из наиболее примечательных результатов исследования является сильное сходство связей, обнаруженных между нынешней картой и предыдущими, менее масштабными работами.

Это привело к выводу, что отдельные мозги имеют сходство в своих связях, вопреки убеждению, что каждый мозг представляет собой уникальную структуру.

Путешествие по картированию мозга

Путь к этому подвигу заключался в разрезании всего мозга мухи шириной менее миллиметра на 7000 тонких ломтиков.

Затем эти срезы были тщательно исследованы с помощью электронного микроскопа высокого разрешения, чтобы выделить формы примерно 140 000 нейронов и 50 миллионов связей между ними.

Сила искусственного интеллекта

Задача анализа такого огромного количества данных становится возможной с помощью машинного обучения, демонстрируя потенциал технологии искусственного интеллекта, способной совершить революцию в нейронауке.

Для обеспечения точности данных требуется примерно 33 года корректурной работы. Несмотря на трудности, результаты этих кропотливых усилий проложили путь к будущим открытиям в области нейробиологии.

Помимо простого установления нейронных связей, исследователи также учли многие детали электрической схемы, такие как классификация более 8000 типов клеток в мозге.

«Этот набор данных немного похож на Google Maps, но для мозга: первоначальная диаграмма связи между нейронами подобна знанию того, какие структуры на спутниковых снимках Земли соответствуют каким улицам и зданиям», — объяснил доктор Филипп Шлегель, первый автор одного из исследования. исследования.

Моделирование функций мозга

Работа исследователей выходит за рамки просто картографирования. Они также использовали технологию сканирования изображений искусственного интеллекта, чтобы предсказать, является ли каждый синапс тормозящим или возбуждающим, что является важным аспектом цифрового моделирования мозга.

«Используя наши данные, которые были опубликованы в Интернете во время нашей работы, другие ученые уже начали пытаться имитировать, как мозг мухи реагирует на внешний мир», — сказал доктор Джеффресс.

«Это важное начало, но нам нужно будет собрать много разных типов данных, чтобы создать надежную симуляцию того, как работает мозг».

Будущие направления исследований

Это исследование, несомненно, произвело революцию в нашем понимании мозга, но это путешествие еще далеко не завершено. По мере продвижения вперед будущие исследования будут изучать различия в нейронной архитектуре мозга самцов и самок мух.

«Полнота нашей электрической схемы имеет большие преимущества для исследований мозга и позволяет проводить многие виды исследований, которые ранее были невозможны с использованием электрических схем частей мозга мух», — отметили исследователи.

Исследование опубликовано в журнале природа.

—–

Понравилось то, что я прочитал? Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать интересные статьи, эксклюзивный контент и последние обновления.

Посетите нас в EarthSnap, бесплатном приложении, созданном Эриком Раллсом и Earth.com.

—–