Ученые впервые создали полную карту связей между нейронами центральной нервной системы взрослой дрозофилы. Масштабный международный проект объединил усилия нескольких лабораторий, включая Гарвард и Принстон. Исследователи соединили уже известный коннектом головного мозга мухи с картой ее брюшной нервной цепочки, которая служит аналогом спинного мозга. Это достижение позволяет холистически взглянуть на работу организма и понять, как взаимодействуют мозг и тело животного при выполнении сложных действий, таких как полет или ходьба. Раньше эти структуры изучались отдельно, что мешало проследить полный путь прохождения сигналов.
Коннектом дрозофилы имеет колоссальное значение для развития искусственного интеллекта. Ученые замечают, что крошечная муха способна выполнять сложнейшие задачи, которые пока не под силу даже самым продвинутым современным роботам и нейросетям. Биологические принципы связи нейронов, зафиксированные на карте, помогут инженерам создавать более эффективных автономных агентов для навигации в виртуальных и реальных мирах. Опыт расшифровки коннектома мухи также закладывает технологическую основу для картографирования нервных систем других видов животных. Отработанные алгоритмы сканирования и сборки трехмерных моделей с помощью ИИ сократят время будущих исследований мозга млекопитающих.
Для создания детальной трехмерной карты авторы разделили центральную нервную систему одной мухи на тысячи тончайших слоев, сделали миллионы снимков с помощью электронного микроскопа, а затем объединили их с помощью искусственного интеллекта. Проект уже дает плоды: теперь биологи могут детально проследить поток информации от восприятия органами чувств до конкретного действия.
В нервной системе мушки 160 000 нейронов и 100 миллионов синапсов (соединений), то есть в среднем каждый нейрон соединяется с сотнями или даже тысячами других нервных клеток. Работа опубликована в журнале Nature.
Полученные данные исследователи выложили в открытый доступ, чтобы их коллеги по всему миру могли использовать карту для проверки новых гипотез. Соавтор работы Рэйчел Уилсон отмечает важность этого события: «Мы впервые можем увидеть все нейроны и их соединения как единое целое и спросить себя: чему это нас учит?».
Локальный контроль движений
Анализ коннектома принес неожиданное открытие в области моторного контроля. Ранее в науке доминировало представление о том, что за принятие решений и управление всеми действиями отвечает некий центральный контроллер в головном мозге.
Однако новая карта показала, что управление движениями у дрозофилы устроено иначе и сильно децентрализовано. Движение каждой лапки мухи в основном контролируется локальными нейронными цепями, расположенными прямо в этой конечности. Чтобы обеспечить сложную скоординированную ходьбу, эти локальные модули общаются между собой, не обращаясь к головному мозгу.
Аналогичный принцип децентрализации ученые обнаружили в управлении крыльями и ротовым аппаратом. Локальные моторные цепи тесно переплетены со зрительной и эндокринной системами, которые поставляют дополнительную информацию для корректировки поведения.
Авторы исследования полагают, что такой распределенный принцип управления не является уникальной особенностью насекомых и наверняка обнаружится у более сложных живых существ, включая млекопитающих. В будущем биологи планируют нанести на карту места выделения нейропептидов, а также использовать принципы организации нервной системы мухи для совершенствования робототехники и обучения искусственного интеллекта.