Исследователи составили самую большую и подробную на сегодняшний день схему соединений мозга млекопитающего, картировав кубический миллиметр зрительной коры мыши. С плодами этого поистине титанического труда можно ознакомиться на страницах Nature.
3D-карта высокого разрешения содержит более 200 000 клеток мозга, около 82 000 из них — нейроны. Она также включает более 520 миллионов синапсов и свыше четырех километров связей между ними. Единственная карта мозга сопоставимого масштаба — это кубический миллиметр человеческого мозга, в котором картированы 16 000 нейронов и 150 миллионов синапсов.
Важнейшим достижением стала детализация активности отдельных нейронов в большом масштабе — впервые в нейробиологии. И это позволит изучать работу мозга с невероятной точностью, потенциально раскрывая механизмы поведения, сознания и в целом — того, что делает нас людьми.
«Наше поведение в конечном итоге формируется активностью мозга, а структура мозговой ткани у всех млекопитающих очень похожа. Именно поэтому мы считаем, что открытия, связанные с корой мозга мыши, могут быть применимы к людям», — уверен замдиректора по технологиям Форрест Коллман из Института Аллена по изучению мозга в Сиэтле.
Это достижение, которое биолог Фрэнсис Крик еще в 1979 году называл «невозможным», потребовало семи лет работы и участия 150 исследователей из трех институтов.
На первом этапе команда записывала нейронную активность в крошечном участке зрительной коры мыши (размером с песчинку), пока та смотрела фильмы и ролики на YouTube.
Затем вторая группа исследователей разрезала этот же участок мозга на слои толщиной в 1/400 человеческого волоса и сделала снимки каждого среза. Из-за хрупкости структуры процесс нельзя было надолго прерывать, поэтому команда работала посменно.
«Мы провели 12 дней и ночей, разрезая этот кубический миллиметр ткани почти на 30 000 слоев», — рассказал Нуно да Кошта из Института Аллена.
После этого третья команда использовала искусственный интеллект для отслеживания всех клеток и восстановления каждого среза в 3D-карту.
«Это было похоже на то, как если бы мы дали ИИ самую сложную в мире книжку-раскраску, — говорит Коллман. — У вас есть 100 миллионов изображений в трех измерениях, и каждую клетку нужно раскрасить своим цветом. ИИ должен определить, где заканчивается одна клетка и начинается другая».
Эти данные затем объединили с записанной в начале проекта функциональной активностью, чтобы связать то, что видела мышь, с соответствующей активностью в мозге. Полученная карта демонстрирует ошеломляющую сложность нервной системы — сотни тысяч клеток в 0,2% мышиного мозга соединены километрами «проводов», по которым не только связываются с соседними клетками, но и активно ищут другие нейроны, обрабатывающие те же зрительные стимулы.
Исследователи надеются, что их карта поможет заполнить пробелы в понимании связи между нейронной активностью и поведением, а в перспективе — раскрыть природу таких сложных явлений, как интеллект. «Это новаторская работа, которая будет бесценна для научного сообщества», — признала профессор Натали Рошфор из Эдинбургского университета.
По словам да Кошты, помимо практического применения, карта может даже позволить проверить теории сознания: «Если у кого-то есть теория сознания, он может проверить по этим данным, которые либо подтвердят, либо опровергнут ее».
Эта работа основана на другом исследовании, опубликованном в прошлом году, в котором была составлена карта каждого нейрона мозга взрослой мухи — прорыв, уже изменивший эту область науки, добавила Рошфор. Например, это помогло ученым лучше понять циркадные ритмы, влияющие на все — от сна до метаболизма.
Профессор назвала новую карту бесценной, поскольку ее можно сравнивать с картами других видов и изучать, какие клетки, принципы организации и функциональные особенности уникальны для одного вида или, наоборот, общие для нескольких, «чтобы в итоге понять, что делает нас людьми».
Нейробиологи создали самый подробный атлас мозга
Сознание может скрываться в электрических полях нашего мозга — новое объяснение