Исследователи создали самую большую и подробную на сегодняшний день схему соединений мозга млекопитающего, картировав клетки в кубическом миллиметре мозговой ткани мыши. Важнейшим достижением является то, что диаграмма также подробно отображает активность огромного количества отдельных нейронов — впервые в истории нейронауки.
Впервые на карте мозга показаны 82000 нейронов и 500 миллионов синапсов
Исследователи создали самую большую и подробную на сегодняшний день схему соединений мозга млекопитающего. Ученые картировали клетки в одном кубическом миллиметре мозговой ткани мыши. Важнейшим достижением является то, что диаграмма также подробно отображает активность огромного количества отдельных нейронов — впервые в истории нейронауки.
Нейронные процессы четырех нейронов с разными цветами, отображенные в рамках проекта Machine Intelligence from Cortical Networks. MICrONS Explorer
В 1979 году великий биолог Фрэнсис Крик сказал, что не надо требовать от нейробиологов то, чего они сделать не могут, потому что «невозможно создать точную электрическую схему кубического миллиметра мозговой ткани и того, как работают все ее нейроны». Прошло 45 лет. Теперь это сделано.
Трехмерная карта высокого разрешения содержит более 200 000 клеток мозга, около 82 000 из которых являются нейронами. Карта также включает в себя более 500 миллионов нейронных связей, так называемых синапсов, и более 4 километров нейронных связей, которые находятся в крошечном блоке ткани в области мозга, отвечающей за зрение. Единственная карта мозга сопоставимого масштаба — это карта человеческого мозга объемом в один кубический миллиметр, которая включает 16 000 нейронов и 150 миллионов синапсов. Новая карта также зафиксировала тысячи сигналов активности десятков нейронов, взаимодействующих друг с другом для обработки визуальной информации.
Эта карта мозговой активности в сочетании со схемой синаптических соединений знаменует собой важную веху в коннектомике — области, которая стремится показать, как мозг обрабатывает и организует информацию. За этими масштабными усилиями стоят более 150 исследователей проекта «Машинный интеллект на основе кортикальных сетей» (MICrONS), которые описали свою работу в пакете из восьми статей, опубликованных сегодня в журналах Nature и Nature Methods. Проект MICrONS предоставил свои ресурсы сообществу нейробиологов в режиме онлайн, и другие группы уже изучают их в различных исследованиях.
«Им удалось сделать то, чего мы как нейробиологическое сообщество не делали практически за всю нашу историю, а именно — сопоставить активность нейронов с их связями в очень большой популяции нейронов», — говорит Мариэла Петкова, нейробиолог из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, которая не принимает участия в проекте. — «Мы никогда не видели этого в таких масштабах».
«Данные действительно потрясающе красивы», — говорит Форрест Коллман, нейробиолог из Института исследований мозга Аллена в Сиэтле, штат Вашингтон, который был соавтором исследований. «Глядя на это, действительно испытываешь благоговение перед сложностью мозга, которое очень похоже на то, как если бы ты смотрел на ночные звезды».
Мышь в матрице
Изображение более 1000 клеток мозга из тех, что были реконструированы на основе анализа кубического миллиметра ткани мозга мыши.
Для создания карты исследователи сначала зарегистрировали активацию почти 76 000 нейронов в зрительной коре головного мозга мыши, когда животное в течение двух часов смотрело различные видеоролики, включая отрывки из «Матрицы». Затем они разрезали кубический миллиметр мозга мыши на тысячи кусочков ткани, каждый из которых был примерно в одну четырехсотую ширины человеческого волоса.
Ученые сделали снимки каждого среза и собрали их в трехмерную карту. Наконец, они использовали искусственный интеллект и алгоритмы машинного обучения для описания нейронов, их разветвлений и синапсов. Команда также сопоставила нейроны на карте с записями активности клеток мозга.
Огонь рождает связь, связь питает огонь
Фрагмент карты визуальной коры мыши.
Работа позволила понять основные правила, формирующие нейронные цепи в мозге мыши. Например, авторы обнаружили, что нейроны в коре головного мозга, реагирующие на схожие типы визуальных признаков, такие как определенные формы или направления движения, часто образуют больше связей друг с другом, независимо от того, насколько далеко они находятся, чем с нейронами, которые специализируются на другом типе признаков.
По словам Коллмана, результаты добавляют новый штрих к давно существующей теории в нейронауке, а именно, что «нейроны, которые активируются одновременно, связываются друг с другом». Предыдущие исследования проверяли эту теорию только на ограниченном количестве нейронов и синапсов. Новое исследование показывает, что «существуют различия в том, насколько это правило применяется к различным компонентам коры», добавляет Коллман.
Исследователи MICrONS надеются, что их набор данных поможет выявить различные особенности и процессы в мозге. «Существуют всевозможные области коры, которые мы понимаем на разных уровнях детализации и разными способами. И я думаю, что это на самом деле только начало выявления связи структуры и функции», — говорит Клей Рид, нейробиолог из Института Аллена и соавтор статей MICrONS.
Мориц Хельмштедтер, нейробиолог из Института исследований мозга Общества Макса Планка во Франкфурте, Германия говорит, что исследователи могут использовать карты нейронных связей для изучения того, как мозг хранит и вызывает визуальные воспоминания, такие как «наши воспоминания о последнем дне рождения или о наших бабушках и дедушках». «Это большие открытые вопросы о коре головного мозга млекопитающих, которые по-прежнему являются фундаментальными», — добавляет он.
Карта охватывает около 0,2% мозга мыши, но команда MICrONS будет тестировать технологии для картирования всего мозга животного, говорит Нуно Масарико да Кошта, нейроанатом из Института Аллена и соавтор работы.