Впервые в истории ученые смогли создать сверх детальную карту связей
и некоторых важных функций мозга, раскрыв беспрецедентную сложность взаимодействия групп связей нейронов.
Это достижение, которое еще недавно считалось невозможным, стало результатом масштабного исследования, финансируемого Агентством перспективных исследовательских проектов разведки США (IARPA). Невозможное стало реальным В 1979 году нобелевский лауреат Фрэнсис Крик заявил, что создать точную схему связей даже кубического миллиметра мозговой ткани — невыполнимая задача.
Однако теперь международная команда ученых из консорциума MICrONS опровергла это утверждение. Используя методы плотной кальциевой визуализации и электронной микроскопии, исследователи проанализировали кубический миллиметр зрительной коры мыши. В результате они получили набор данных, охватывающий более 200 тысяч клеток и 500 миллионов синапсов, а также записали активность примерно 75 тысяч нейронов в реальном времени. Как устроен «нейронный лес» Ученые не только зафиксировали структуру связей, но и сопоставили ее с функциональной активностью нейронов.
Это позволило выявить ключевые принципы обработки информации в мозге, включая так называемый принцип «подобное к подобному», согласно которому нейроны со схожими функциями образуют более прочные связи. Также были обнаружены новые формы нейронной инвариантности, когда некоторые клетки стабильно реагируют на одни и те же стимулы, несмотря на изменения контекста, и сложные петли обратной связи между разными областями зрительной коры. «Это как изысканный лес, где у каждого дерева есть свои правила соединения с другими», — пояснил доктор Клэй Рид из Allen Institute, участвовавший в проекте.
Применение: от медицины до искусственного интеллекта
Открытие имеет огромное значение для различных областей науки. В неврологии оно поможет понять механизмы таких заболеваний, как эпилепсия, шизофрения и аутизм.
В сфере искусственного интеллекта биологически точные данные могут улучшить архитектуру нейросетей. Для фундаментальной науки это означает возможность проверки гипотез, которые раньше оставались лишь теориями. «Если у вас есть схема радиоприемника, его легче починить.
Теперь у нас есть “Google Maps” для мозга», — отметил доктор Нуну да Кошта из Allen Institute. Доступ к данным и будущие исследования
Все материалы проекта MICrONS выложены в открытый доступ на платформе MICrONS Explorer, что позволяет ученым со всего мира изучать мозг без необходимости загружать терабайты информации. Хотя прорыв значителен, впереди еще много работы. Проверка данных требует ручной коррекции, а масштабирование метода на весь мозг потребует новых технологических решений.
«Кажется что Это всё только начало», — говорит доктор Андреас Толиас из Baylor College of Medicine. «MICrONS станет основой для создания комплексных моделей мозга, от поведения до молекулярного уровня».
Это исследование, опубликованное в журнале Nature, открывает новую эру в нейро-науке, приближая человечество к разгадке главной тайны — как работает наш разум.
**
Для создания карты использовали участок зрительной коры мыши объёмом в один кубический миллиметр. В этом микроскопическом фрагменте исследователи обнаружили свыше 200 тысяч клеток мозга, из которых 82 тысячи составили нейроны.
Между ними пролегает более четырёх километров нервных волокон, образующих свыше 500 миллионов синапсов — специальных контактов, через которые клетки обмениваются сигналами.
Учёные не только зафиксировали структуру связей, но и сопоставили её с функциональной активностью нейронов. Это позволило выявить ключевые принципы обработки информации в мозге, включая принцип «подобное к подобному», согласно которому нейроны со схожими функциями образуют более прочные связи.
Исследователи надеются, что их карта поможет улучшить понимание связей между нейронной активностью и поведением, а также раскрыть природу некоторых болезней связанных с работой сети нейронов
Необычный эксперимент начался с показа мыши фрагментов из «Матрицы» и других кинокартин. Специалисты из Медицинского колледжа Бейлора (США) использовали генетически модифицированное животное, нейроны которого светились при активности. Это позволило зафиксировать, как клетки зрительной коры реагируют на движущиеся изображения.
Затем исследователи из Института мозга Аллена в Сиэтле применили передовую технологию: они разрезали изучаемый участок мозга на 25 тыс. сверхтонких слоев и сделали 100 млн микроскопических снимков.
«Это как размотать клубок спагетти и раскрасить каждую нить в свой цвет», — пояснил руководитель проекта Форрест Коллман.
