Автор – Алиса Годованец
Современная нейронаука стремительно развивается, постоянно улучшая наши знания о том, как работает мозг. Однако в октябре 2024 года произошло событие, которое может качественно расширить наше понимание работы нервной системы: международный консорциум FlyWire объявил о создании первого полного коннектома мозга взрослого насекомого — плодовой мушки дрозофилы (Drosophila melanogaster). Это достижение было опубликовано в авторитетном журнале Nature и сразу же привлекло внимание ученых по всему миру, поднимая множество вопросов. Что представляет собой коннектом и почему его создание столь важно? Как ученым удалось достичь такого уровня детализации? Какие перспективы открываются перед нейронаукой благодаря этому прорыву? Возможно ли создать коннектом человеческого мозга? В лонгриде мы постараемся ответить на эти вопросы, опираясь на историю развития коннектомики и современные исследования.
История понятия "коннектом" и первые исследования
Коннектом — это полное описание структуры связей в нервной системе организма, включающее все нейроны и синапсы между ними. Этот термин был предложен в 2005 году независимо двумя учеными: доктором Олафом Спорнсом из Университета Индианы и доктором Патриком Хагманом из госпиталя Лозаннского университета. Они использовали это слово по аналогии с «геномом», подчёркивая его важность для понимания работы мозга.
Первым организмом, для которого был полностью описан коннектом, стал червь-нематода Caenorhabditis elegans в 1986 году. Команда ученых во главе с нобелевским лауреатом Сиднеем Бреннером затратила более 12 лет на картирование всех 302 нейронов и 7000 соединений между ними. Это достижение стало основой для развития новой области исследований — коннектомики.
Впоследствии были также созданы коннектомы личинки оболочника Ciona intestinalis и многощетинкового червя Platynereis dumerilii, и таким образом, до дрозофилы полные коннектомы были получены лишь для трёх организмов. В 2009 году также было опубликовано исследование коннектома аксонов, иннервирующих межщитковые мышцы ушных раковин мыши, что показало возможность применения методов коннектомики к более сложным организмам.
Для создания коннектомов используются различные технологии:
- Электронная микроскопия: обеспечивает необходимое разрешение для визуализации синапсов и тонких нейрональных отростков.
- Трактография: метод визуализации путей белого вещества в мозге с помощью диффузионной МРТ, позволяющий отследить направления аксональных связей.
- Алгоритмы машинного обучения: используются для обработки больших объемов данных и автоматической реконструкции нейронных сетей.
В 2023 году американские и британские исследователи составили карту всех синаптических связей в мозге личинки плодовой мушки дрозофилы. Это был первый полный коннектом мозга насекомого, включающий 3016 нервных клеток и примерно 548 тысяч синапсов. Исследователи провели электронную микроскопию всего объема мозга личинки с посинаптическим разрешением, что позволило реконструировать все нервные пути от сенсорного ввода до моторного вывода.
Коннектом взрослой дрозофилы: прорыв в нейронауке
Создание полного коннектома мозга взрослой самки дрозофилы стало возможным благодаря работе международного консорциума FlyWire, в который вошли исследователи из США, Великобритании, Израиля и Германии. Проект возглавили Себастьян Сын (Sebastian Seung) из Принстонского университета, Грегори Джеффрис (Gregory Jefferis) из Кембриджского университета и Дэви Бок (Davi Bock) из Вермонтского университета.
Для получения детальных изображений мозга дрозофилы ученые использовали усовершенствованную электронную микроскопию с синаптическим разрешением. Общий объем данных составил около 100 теравокселей. Для обработки такого объема информации были разработаны алгоритмы машинного обучения, позволяющие автоматически реконструировать нейроны и их связи. Однако автоматические методы не могут обеспечить полную точность, поэтому была создана вычислительная инфраструктура, позволяющая ученым и добровольцам со всего мира вручную корректировать ошибки. В сумме на эту работу было затрачено 33 человеко-года.
В итоге полученный коннектом:
- Включает 139 555 нейронов и 54,5 миллиона синапсов.
- Идентифицированы 8453 типа клеток, из которых 4581 были ранее неизвестны.
- Нейроны классифицированы по морфологии, биомаркерам и происхождению из стволовых клеток — нейробластов.
Исследователи обнаружили, что 118 501 нейрон формирует связи внутри мозга дрозофилы, включая 32 388 нейронов центрального отдела и 77 536 нейронов зрительных долей. Мультисинаптические связи между нейронами в большинстве случаев содержат менее 10 синапсов; однако около 16 000 таких соединений включают более 100 синапсов, а 27 — более 1000 синапсов. Кроме того, была создана карта проекций между различными участками нейропиля (области мозга, где переплетаются немиелинизированные нервные волокна с высокой плотностью синапсов; у дрозофилы эта область расположена отдельно от тел нейронов) для каждого нейромедиатора — гамма-аминомасляной кислоты, глутамата, ацетилхолина, серотонина, дофамина и октопамина, что позволило подробно изучить потоки информации в нервной системе дрозофилы при обработке различных стимулов.
Таким образом, это исследование представляет собой наиболее сложный и подробный коннектом из когда-либо созданных. Он предоставляет уникальную возможность изучать нейронные сети на уровне отдельных синапсов и понять, как информация обрабатывается в мозге насекомого. Полученные данные выложены в открытый доступ на ресурсе FlyWire, что позволяет исследователям со всего мира использовать их в своих работах. С момента предварительного опубликования данных в 2020 году они были использованы более чем в 50 научных исследованиях. Семь дополнительных публикаций, сопровождающих основные, демонстрируют использование коннектома для изучения различных нейробиологических механизмов, включая анализ сетей, моделирование мозговой активности и выявление ключевых нейронов.
Коннектом человеческого мозга: достижения, трудности и перспективы
Создание полного коннектома человеческого мозга является одной из самых амбициозных целей современной нейронауки. Мозг человека содержит около 86 миллиардов нейронов и в 10 тысяч раз больше синаптических связей – такой масштаб делает задачу чрезвычайно сложной с технической и вычислительной точек зрения, однако некоторые проекты в этом направлении всё же реализуются.
В 2009 году Национальные институты здоровья США (NIH) запустили амбициозный проект «Human Connectome Project». Его целью было создание детальной карты человеческого мозга с помощью передовых неинвазивных методов визуализации, таких как функциональная и диффузионная МРТ, а также трактография. Проект сосредоточился на сборе данных о структурной и функциональной связности мозга у 1200 здоровых взрослых, включая близнецов и их родственников. Сравнивая коннектомы в макромасштабе — то есть картируя большие системы мозга, разделенные на анатомически и функционально отдельные области, а не отдельные нейроны — генетически идентичных близнецов с их обычными братьями и сестрами, исследователи стремились выявить относительный вклад генов и среды в формирование мозговых сетей.
Также был запущен проект «Developing Human Connectome Project», объединяющий исследователей из Королевского колледжа Лондона, Оксфордского университета и Имперского колледжа Лондона. Цель dHCP — создать карту развития мозга у человеческих эмбрионов и новорожденных, изучая, как развивается структура и функциональная связность мозга от 20 недели беременности до первых месяцев жизни. Используя передовые методы МРТ с высоким разрешением и специально разработанные последовательности сканирования, исследователи получают детальные изображения мозга развивающегося ребенка без необходимости применения седации. Это позволяет создать обширную базу данных о формировании нейронных сетей на самых ранних этапах развития. Полученные данные помогут понять процессы нормального развития мозга у плода и новорожденного, выявить ранние признаки нейроразвития и потенциальных патологий, а также создать стандарты для оценки и диагностики различных неврологических расстройств у детей.
Что касается более свежих исследований — в 2024 году американские исследователи и сотрудники компании Google представили реконструкцию кубического миллиметра височной коры человеческого мозга с петавоксельным разрешением. Образец нормальной мозговой ткани был получен в ходе хирургической операции по поводу эпилепсии у пациента. Джефф Лихтман из Гарвардского университета и его коллеги отсканировали образец методом высокопроизводительной электронной микроскопии серийных срезов и обработали данные с помощью алгоритмов машинного обучения.
Полученный датасет объемом 1,4 петабайта содержит информацию о примерно 57 тысячах клеток, 230 миллиметрах сосудов и 150 миллионах синапсов. Анализ данных показал, что глиальных клеток в образце вдвое больше, чем нейронов, и выявил редкие аксональные соединения, включающие до 50 синапсов. Поскольку полностью упорядочить и проанализировать такой объем данных весьма сложно, авторы работы выложили весь датасет и инструменты для работы с ним в открытый доступ.
Заключительные мысли
Создание полного коннектома мозга взрослой дрозофилы — это не просто значительный прорыв в нейронауке, но и убедительное свидетельство того, на что способны современные технологии в сочетании с международным научным сотрудничеством. Хотя полная карта коннектома человеческого мозга пока остается целью будущего, текущие исследования неуклонно приближают нас к ней. Развитие новых методов визуализации, обработки больших данных и алгоритмов машинного обучения обещает в будущем преодолеть существующие препятствия. Понимание коннектома имеет огромное значение не только для фундаментальной науки, но и для практических приложений: от разработки новых методов диагностики и лечения нейродегенеративных заболеваний до создания более совершенного искусственного интеллекта, основанного на принципах работы нейронных сетей. Таким образом, успех в создании коннектома дрозофилы не только вдохновляет, но и демонстрирует, что самые сложные научные задачи могут быть решены благодаря упорству и инновациям, открывая новые горизонты в изучении мозга и приближая нас к разгадке его тайн.
Две основные оригинальные публикации по этой теме, а также семь исследований, использующих разработку для изучения нейробиологических механизмов, вошли в специальную подборку журнала Nature, где также была опубликована редакционная статья, посвящённая этим материалам.