Понимание того, как мозг формирует поведение человека, имеет важное значение для борьбы с нейродегенеративными расстройствами, физическими недостатками и другими состояниями, изменяющими привычную жизнь. Но это далеко не простая задача. Чтобы определить роль и функцию каждого нейрона, нужно учитывать множество деталей, поэтому исследователи начали с простейшего организма Caenorhabditis elegans - нематоды длиной всего один миллиметр. Используя открывшиеся возможности машинного обучения и новых технологий микроскопии, специалисты Института обучения и памяти Пиковера Массачусетского технологического института успешно составили карту клеток мозга, отвечающих за основные формы поведения Caenorhabditis elegans.
Мозг одной особи C. elegans содержит 302 нейрона, которые помогают «червю» есть, двигаться и выполнять другие важные задачи. Команда использовала кальциевую визуализацию – распространенную практику, при которой флуоресцентный краситель отслеживает активность нейронов – чтобы изучить кодирующие функции, присвоенные каждой мозговой клетке. Чтобы уловить активность всего мозга, они создали высокоточную платформу для микроскопии, которая отслеживает сигналы нейронов во время движения C. elegans. Эта платформа записывала видео, которые команда затем загрузила во второй специальный инструмент: probabilistic encoding model (модель вероятностного кодирования), которая описывает, как каждый нейрон кодирует поведение.
C. elegans под микроскопом. Источник: Wikimedia Commons.
В статье, опубликованной в понедельник в журнале Cell, исследователи рассказывают, что они изучали активность нейронов 60 особей C. elegans, которые могли свободно передвигаться по тарелке так, как им хотелось. Они обнаружили, что нейроны часто отвечают за кодирование нескольких моделей поведения, а не только одного поведения. В редких случаях, некоторые виды поведения кодировались несколькими нейронами; например, простое движение вперед кодировалось четырьмя нейронами, тогда как только один нейрон участвовал в кодировании движения головы.
Исследователи иногда наблюдали, как мозг нематод кодирует поведение из недавнего прошлого (то есть примерно за минуту до этого). Это проявлялось в формировании поведения, не связанного с текущей задачей; например, нейроны, связанные с питанием, были активны, когда C. elegans просто двигалась, хотя нематода давно закончила есть. Команда считает, что это некая закономерность обучения в нейронах: вспоминая, какие недавние действия червя сработали в его пользу, а какие - нет, крошечный организм может улучшить свое поведение в будущем.
Хотя мозг C. elegans, безусловно, гораздо проще, чем у человека (в человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов), исследования команды все же могут проложить путь для более масштабных исследований нервной системы. Тем временем они предоставили свои «наработки» о поведении C. elegans другим исследователям на сайте WormWideWeb.