За 12 лет исследователи нанесли на карту весь мозг личинки плодовой мушки, наметив 3016 нейронов и 548 000 соединений. Это большие новости для неврологии.
Большинству людей личинка плодовой мухи не кажется чем-то особенным: бледная, извивающаяся личинка в форме рисового зерна, всего несколько миллиметров в длину. Тем не менее, по-своему, личинки мух ведут богатую и интересную жизнь, полную сенсорной информации, социального поведения и обучения. Если вы когда-нибудь сомневались в том, что в голове личинки происходит многое, теперь у нас есть карта, чтобы доказать это.
Междисциплинарная группа ученых выпустила полную реконструкцию и анализ мозга личинки плодовой мушки, опубликованные в четверг в журнале Science. Получившаяся карта, или коннектом, как ее называют в неврологии, включает в себя каждый из 3016 нейронов и 548 000 синапсов, расположенных между нейронами, которые составляют всю центральную нервную систему мухи. Коннектом включает в себя обе доли мозга личинки, а также нервный тяж.
Первый (в основном) полный коннектом был нематоды (C. elegans), опубликованный в 1986 году. Чтобы построить эту первоначальную карту, этим ученым пришлось нарисовать связи вручную, используя цветные карандаши. Было задействовано 302 нейрона и 7600 синапсов и других соединений.
С тех пор появилось подмножество нейронауки, посвященное перспективам изучения мозга все более сложных организмов. И некоторые большие успехи уже произошли. Мы получили полностью полные карты мозга нескольких нематод. В 2018 году была опубликована карта мозга взрослой плодовой мушки с относительно низким разрешением, на которой отсутствует подробный соединительный анализ.
В 2020 году группа из нескольких институтов, в которую вошли ученые из исследовательского подразделения Google и кампуса Джанелии Медицинского института Говарда Хьюза, опубликовала частичный коннектом центрального мозга взрослой плодовой мушки (25 000 нейронов, 20 миллионов соединений). Год спустя ассоциированная исследовательская группа Janelia опубликовала последующий анализ этого частичного мозга взрослой мухи и начала раскрывать «почему и как» за «что». В этом исследовании 2021 года ученые задокументировали сенсорные и двигательные пути, а также другую сложную динамику, которая помогает объяснить, как мозг мухи позволяет ей быть мухой.
Тем не менее, это первый случай, когда ученые сфотографировали и проанализировали весь мозг насекомого с таким высоким разрешением. Это самая полная карта мозга насекомых из когда-либо созданных и самый сложный коннектом среди всех когда-либо опубликованных животных. Короче говоря: это меняет правила игры.
Для некоторых это представляет собой сдвиг парадигмы в области неврологии. Плодовые мушки являются модельными организмами, и считается, что многие нейронные структуры и пути сохраняются в процессе эволюции. То, что верно для личинок, вполне может быть верно для других насекомых, мышей или даже людей. Исследователи будут ссылаться на этот мозг в своих исследованиях по субдисциплинам, во многом так же, как биологи ссылались на первый нанесенный на карту человеческий геном, сообщили Gizmodo несколько ученых. Это больше информации о нервной системе животного, нервных путях и структуре мозга, чем когда-либо прежде. Более того, недавно опубликованный коннектом может дать информацию для исследований, выходящих за рамки неврологии, в таких областях, как искусственный интеллект и биология развития.
«Я никогда не думал, что что-то может выглядеть так».
«Это проявление силы в том, как мы понимаем, как мозг связан», — сказал Тимоти Моска, нейробиолог, изучающий сенсорные системы плодовых мушек в Университете Томаса Джефферсона, который не участвовал в новом исследовании, в телефонном разговоре с Gizmodo. .
На протяжении десятилетий у нас были карты некоторых грубых элементов мозга животных. Ученые знали, где обычно группируются моторные и сенсорные нейроны, объяснил Моска. Но этот новый коннектом похож на переход от размытого изображения со спутника к четкой карте городских улиц. В поблочном массиве коры насекомого «теперь мы знаем, где каждый 7-11 и каждый, вы знаете, Target [магазин]», — сказал Моска.
Чтобы завершить коннектом, группа ученых из Кембриджского университета провела 12 лет, изучая мозг одной 6-часовой личинки самки плодовой мушки. Орган размером примерно 170 на 160 на 70 микрометров действительно крошечный — на порядок меньше, чем можно увидеть невооруженным глазом. Тем не менее, исследователи смогли использовать электронную микроскопию, чтобы визуально разрезать его на тысячи кусочков толщиной всего нанометров. В среднем на визуализацию одного нейрона уходил день. Оттуда, как только физическая карта нейронов, или «объем мозга», была готова, начался анализ.
Вместе с учеными-компьютерщиками из Университета Джона Хопкинса нейробиологи из Кембриджа оценили и классифицировали обнаруженные ими нейроны и синапсы. Исследователи JHU доработали компьютерную программу именно для этого приложения, чтобы определить типы клеток и синапсов, паттерны внутри мозговых связей и наметить некоторые функции коннектома личинки на основе предыдущих нейробиологических исследований поведения и сенсорных систем.
Они нашли много сюрпризов. Во-первых, коннектом личинки мухи показал многочисленные нервные пути, которые зигзагообразно проходят между полушариями, демонстрируя, насколько интегрированы оба полушария мозга и насколько тонкой может быть обработка сигналов, сказал Майкл Виндинг, один из ведущих исследователей исследования и нейробиолог из Кембриджского университета. в видеозвонке. «Я никогда не думал, что что-то будет выглядеть так», — сказал Виндинг.
В некоторых областях синапсы также были сильно рекурсивными, повторяющимися и усиленными — особенно и «красиво» в областях мозга, которые, как считается, управляют обучением, объяснила Марта Златик, другой нейробиолог из Кембриджа и один из старших исследователей исследования, в видео. вызов.
Удивительно, но эти повторяющиеся структуры, полученные из реального мозга, по-видимому, точно соответствуют архитектуре некоторых моделей искусственного интеллекта (называемых остаточными нейронными сетями) с вложенными путями, допускающими разные уровни сложности, отметил Златик. Когда разработчики ИИ создавали свои искусственные прокси естественной обработки информации, они догадывались об особенностях строения мозга. Теперь, по крайней мере в одном маленьком смысле, они оказались правы. Виндинг повторил это описание, назвав план учебного центра личинки «русской куклой связи».
Мало того, что обнаруженная нейронная структура была многослойной, сами нейроны кажутся многогранными. По словам Златика, сенсорные клетки связаны между собой через модальности — визуальные, обонятельные и другие входы пересекаются и взаимодействуют на пути к выходным клеткам. «Этот мозг выполняет огромное количество мультисенсорной интеграции… что является очень мощной вычислительной задачей», — добавила она.
Затем были типы и относительное количество межклеточных соединений. В неврологии классический «канонический» тип синапса проходит от аксона к дендриту. Тем не менее, в картированном мозге личинки мухи на это приходится только около двух третей связей, сказали Виндинг и Златик. Аксоны связаны с аксонами, дендриты с дендритами и дендриты с аксонами. Ученым было известно, что такого рода связи существуют в нервной системе животных, но масштабы исследования вышли далеко за рамки того, что они ожидали. «Учитывая широту этих связей, они должны быть важны для вычислений мозга», — отметил Виндинг. Мы просто не знаем, как именно.
Каким бы захватывающим ни был этот прогресс для нейробиологов («Я так рад заниматься наукой прямо сейчас», — сказал Моска), коннектомы не могут рассказать нам все. Это «моментальный снимок одного момента времени у одного животного», — объяснил Моска. Он заполняет огромный пробел в исследованиях — для понимания развития мозга между стадиями личинки и взрослой мухи и структуры мозга животных в целом, но он ограничен.
Имея единую четкую картину нейронов и синапсов мухи, мы не можем сказать нам, что они все делают, как мозг меняется с течением времени или чем мозг отличается у разных людей. Например, у нас пока нет данных для сравнения мозга самцов и самок мух. И не отслеживать нейронные сдвиги по мере взросления мухи. Расположить все текущие коннектомы в порядке развития было бы похоже на просмотр «флипбука, в котором не хватает нескольких страниц», — сказал Моска.
Хотя в разговорах постоянно всплывали неоднократные сравнения с первой полной картой генома человека, ДНК является относительно статичным набором данных, определяемым первой клеткой в развитии организма, сказал Джош Фогельштейн, сетевой ученый JHU и один из авторов исследования, в своем исследовании. видеозвонок. Напротив, «ваш коннектом меняется каждую секунду», — сказал он. Кроме того, определения, использованные в анализе Фогельштейна и его коллег (т. е. то, как они нарисовали карту), являются субъективными. Они определили нейроны как узлы, а синапсы — как ребра — другие могли бы изменить это или объявить целые области мозга узлами, объяснил он. «Не существует единого ответа на вопрос, что такое коннектом, и чем бы он ни был, он меняется».
Это больше информации о нервной системе животного, нервных путях и структуре мозга, чем когда-либо прежде.
Чтобы проанализировать все эти оставшиеся неизвестные, необходимы дополнительные исследования. Достижения в области визуализации за последние несколько лет позволили собирать данные об объеме мозга гораздо быстрее, чем когда это новое исследование началось более десяти лет назад. Кроме того, с помощью компьютерной программы, разработанной Фогельштейном и его докторантом Бенджамином Педиго, будущие анализы могут выполняться намного быстрее — порядка месяцев на исправление данных и часов на их обработку, а не лет, как рассказали Педиго и Фогельштейн Gizmodo.
Златик намеревается использовать этот единственный коннектом личинки мухи в качестве отправной точки для сбора большего количества, а затем проводить сравнения, чтобы выявить функциональные связи (например, чем отличается мозг более быстрого виглера?). Виндинг создает свою собственную лабораторную группу, где он начнет работу по выявлению цепей в мозгу плодовой мушки, связанных с социальным поведением. Оттуда он хочет начать экспериментально манипулировать этими цепями и посмотреть, что произойдет.
Другие работают над картированием мозга более крупных организмов. Полный коннектом взрослой плодовой мухи в Джанелии идет полным ходом. У некоторых есть стремление перейти к мозгу животных, столь же большому и сложному, как у мышей, хотя до завершения этой работы, вероятно, еще много лет.
Для Фогельштейна это означает шаг к тому, чтобы по-настоящему понять (и даже закодировать) сознание. Мы еще не достигли этого, но этот личиночный коннектом представляет собой будущую возможность реинжиниринга сложного мозга животного в форме компьютерной программы. «Все в мире, насколько мне известно, признают или согласны с тем, что мозг нужен для сознания», — сказал он. Одной карты мозга «недостаточно» для раскрытия всей тайны разума. Чтобы было ясно, «мы не можем смоделировать сознательный мозг, просто имея этот коннектом», — подчеркнул он. Но это «ключевой и необходимый компонент».
По мнению Моски, хотя он и не исследователь коннектомов, он готов использовать новое исследование личинок в своей работе. «Это действительно даст нам много выдающегося материала для постановки более сложных исследовательских вопросов», — сказал он. В неврологии и биологии «огромный объем работы, который это вдохновит и даст информацию, почти безграничен».
No comments:
Post a Comment