Самая подробная карта мозга, которую вы когда-либо видели
Структура мозга - одна из самых непостижимо сложных загадок во Вселенной. Но теперь международная команда ученых создала первую карту, показывающую каждый нейрон и связь в мозге взрослого человека. Эта "электрическая схема", созданная консорциумом FlyWire, показывает каждый из 139 255 нейронов в мозге плодовой мушки и 50 миллионов связей между ними. Хотя в человеческом мозге примерно в миллион раз больше нейронов, чем у мухи, исследователи говорят, что это приближает нас к пониманию нашего собственного разума.
Один из руководителей проекта доктор Грегори Джефферис из Кембриджского университета говорит: "Схемы подключения мозга - это первый шаг к пониманию всего, что нас интересует, – как мы контролируем свои движения, отвечаем на телефонные звонки или узнаем друга".
Несмотря на то, что мозг взрослой плодовой мушки имеет диаметр менее одного миллиметра, он по-прежнему представляет собой чрезвычайно сложную структуру для изучения.
Чтобы создать эту инновационную карту, мозг взрослой самки плодовой мушки был аккуратно разрезан на 7000 сегментов толщиной всего 40 нанометров каждый.
Затем каждый сегмент был индивидуально отсканирован с помощью мощного электронного микроскопа, чтобы выявить отдельные клетки, из которых состоит мозг.
Полученный в результате набор данных занял 100 терабайт памяти, что эквивалентно 2500 видеороликам высокой четкости.
Исследователи разработали искусственный интеллект, способный реконструировать карту мозга, идентифицируя каждый нейрон и соединение.
Однако, поскольку искусственный интеллект все еще был подвержен некоторым ошибкам, команда из 287 исследователей из более чем 76 лабораторий по всему миру просмотрела весь набор данных, чтобы проверить его на наличие ошибок.
Если бы над проверкой данных непрерывно работал отдельный человек, то, по оценкам исследователей, на завершение проекта ушло бы 33 года.
Несмотря на колоссальные усилия, результатом стала самая подробная карта мозга любого животного, когда-либо созданная.
Эта карта была опубликована в двух статьях в журнале Nature и стала общедоступной для других ученых.
По сравнению с предыдущими попытками детализировать небольшие участки мозга мухи, эта новая карта содержит в семь раз больше нейронов и фиксирует 54,5 миллиона отдельных связей.
Ранее самый большой мозг, который удалось полностью отобразить, принадлежал личинкам плодовой мухи, у которых 3016 нейронов, или нематодам, у которых их всего 302.
Это первый случай, когда ученым удалось отобразить мозг животного, которое может ходить, видеть и осуществлять сложное поведение.
Исследователи полагают, что это может проложить путь к пониманию фундаментальной динамики, которая обеспечивает сложное поведение.
Доктор Джефферис говорит: "Мухи могут выполнять всевозможные сложные действия, такие как ходьба, полет, навигация, а самцы поют самкам.
"Если мы хотим понять, как работает мозг, нам нужно механистическое понимание того, как все нейроны взаимодействуют друг с другом и позволяют вам думать".
Одно из открытий, которое уже появилось в результате исследования, заключается в том, что наш мозг, возможно, не так уникален, как мы думаем.
По сравнению с предыдущими частичными картами мозга, исследователи обнаружили значительное сходство в том, как нейроны связаны друг с другом.
Это говорит о том, что наш мозг, возможно, не является "уникальной структурой, подобной снежинке", а скорее подчиняется определенным закономерностям.
Исследователи обнаружили, что только у 0,5% нейронов в мозге были вариации, которые приводили к тому, что они были подключены по-разному.
Эти неправильно подключенные нейроны могут быть источником индивидуальности нашего мышления или мозговых расстройств.
Однако понимание того, как нейроны сочетаются друг с другом, - это только первая часть головоломки.
Если ученые хотят начать цифровое моделирование мозга плодовой мушки, нам также необходимо знать, что делают все части мозга.
Соавтор исследования, доктор Филипп Шлегель (Philipp Schlegel) из Лаборатории молекулярной биологии MRC, говорит: "Этот набор данных немного похож на карты Google, но для мозга: сырая схема соединений между нейронами похожа на информацию о том, какие структуры на спутниковых снимках Земли соответствуют улицам и зданиям.
"Аннотирование нейронов – это все равно что добавление на карту названий улиц и городов, времени работы предприятий, телефонных номеров, отзывов и так далее - и то, и другое необходимо для того, чтобы она была действительно полезной".
Исследователи уже идентифицировали более 8400 уникальных типов клеток, ответственных за такие способности, как зрение или движения, включая 4581 ранее неизвестный тип.
Это позволяет нам детально, нейрон за нейроном, рассмотреть структуры, ответственные за естественные навигационные навыки мух, их способность распознавать формы и даже за то, как они слушают песни друг друга.
Поскольку плодовые мушки - обычное животное в исследовательских лабораториях по всему миру, исследователи полагают, что эти открытия позволят глубже понять внутреннюю работу мозга.
Ведущий исследователь, профессор Дэвид Бок из Университета Вермонта, говорит: "Это неизбежно приведет к более глубокому пониманию того, как нервная система обрабатывает, хранит и воспроизводит информацию.
"Я думаю, что этот подход указывает путь вперед для анализа будущих коннектомов всего мозга, как у мух, так и у других видов".
