Ученые используют машинное обучение на основе активности мозга червей для распознавания запахов
Почему это важно: результаты помогают ученым лучше понять, как мозг функционирует и собирает информацию.
Исследователи не могут одновременно отслеживать активность каждой из 86 миллиардов клеток мозга живого человека. А на микроскопическом мозге червя Caenorhabditis elegans это сделать куда проще — у него всего 302 нейрона. Такое разрешение в настоящее время невозможно ни у людей, ни у мышей.
Что было сделано: ученые изучили, как нейроны C. elegans реагируют на запах каждого из пяти различных химических веществ: бензальдегида, диацетила, изоамилового спирта, 2-нонанона и хлорида натрия (соли). Более ранние исследования показали, что C. elegans может различать эти химические вещества. Для человека эти вещества пахнут соответственно как миндаль, попкорн с маслом, банан, сыр и соль.
Исследователи сконструировали эксперимент таким образом, что каждый из 302 нейронов мозга C. elegans содержал флуоресцентный датчик, который загорался, когда нейрон был активен. Затем они наблюдали под микроскопом, как 48 разных червей подвергаются многократному воздействию пяти химических веществ. В среднем, в ответ на каждое химическое вещество активировалось 50-60 нейронов.
Рассматривая, сколько клеток было активно в каждый момент времени, исследователи не смогли сразу различить химические вещества, поэтому они проанализировали взаимодействия между парами клеток — как изменяется активность клеток в ответ на активацию одной из них?
Оказалось, что всякий раз, когда C. elegans подвергался воздействию хлорида натрия, сначала происходил всплеск активности в одном наборе нейронов, но примерно через 30 секунд активировались триплеты других нейронов. Такие отчетливые тройки не наблюдались после других стимулов.
Ученые полагают, что это может быть связано с тем, что соль является важной частью «рациона» червя.
Чтобы заметить более тонкие различия в реакции мозга на каждое из пяти химических веществ, исследователи использовали машинное обучение. Алгоритм смог научиться различать нейронную реакцию на соль и бензальдегид, но часто путал три других химических вещества.
Конечной целью исследователей, конечно, является не чтение мыслей микроскопических червей, а более глубокое понимание того, как люди кодируют информацию в мозге и что происходит, когда это нарушается при расстройствах сенсорной обработки и связанных с ними заболеваниях, таких как тревожность, синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), расстройства аутистического спектра и другие.
Работа опубликована в журнале PLOS Computational Biology.
С крошечным мозгом червя оказалось крайне удобно работать.