Прорыв для нейронауки: ученые впервые сделали полную карту части мозга мыши

В 1979 году биолог Фрэнсис Крик заявил, что будет невозможно создать точную диаграмму соединений в мозге и активности нейронов — даже в пределах всего лишь кубического миллиметра ткани мозга. Теперь команда из более чем 150 исследователей доказала, что он ошибался, создав карту крошечной части мозга мыши.

• Даже здесь мы проиграли: искусственный интеллект создает лучшие мемы, чем люди

Детали

Как подробно описано в коллекции из десяти исследований, опубликованной на этой неделе в журналах Nature, команда междисциплинарных учёных, участвующих в проекте Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS), отобразила соединения и визуальные функции части мозга мыши размером примерно с песчинку. Эта монументальная работа представляет собой самую детализированную схему соединения мозга млекопитающих за всю историю, и она имеет важные последствия для изучения нарушений мозга у людей.

На карте изображено 200 000 клеток, 523 миллиона синапсов (соединений между нейронами) и более трёх километров аксонов (часть нейрона, которая передаёт электрические импульсы). Все эти данные составляют 1,6 петабайта, что эквивалентно примерно 22 годам непрерывного видео высокого разрешения. Нейробиолог из Института Аллена Форрест Колман объясняет:

Представьте себе своего рода карты Google для мозга, которые показывают не только основные магистрали, но и каждую маленькую улицу, каждый дом, каждую комнату внутри каждого дома и даже каждую дверь и окно. Подобно тому, как люди используют Карты Google, чтобы определить лучший маршрут из пункта А в пункт Б или даже проверить, существует ли маршрут вообще, такая детальная карта мозга позволяет учёным увидеть, соединены ли два нейрона и где именно происходят эти соединения.

Чтобы создать карту мозга, исследователи работали с лабораторной мышью, генетически сконструированной так, чтобы её нейроны вспыхивали, когда они передают электрический сигнал. Затем они записали мозговую активность в её зрительной коре — области мозга, связанной с зрением — во время просмотра видео.

Затем исследователи извлекли кубический миллиметр мозговой ткани и разрезали её примерно на 28 000 слоев — каждый примерно в 400 раз тоньше человеческого волоса. Они сфотографировали каждый слой, использовали искусственный интеллект для обработки изображений в цифровую трехмерную диаграмму и соединили её с ранее записанными моделями активности мозга, связанными со зрением.

Поскольку они исследовали, как нейроны мыши светятся при просмотре видео, команда могла сравнить нанесённую на карту структуру нейронов с их функциями и выяснить, как работают связи между ними.

Диаграмма мозга раскрыла новые типы клеток, характеристики, взаимосвязи и правила организации и функционирования — и это только начало. Исследователи также обнаружили ранее неизвестную сложность ингибиторных клеток или клеток, которые подавляют мозговую активность. Они выяснили, что эти клетки высокоселективны, целясь на определенные наборы нейронов.

Такое детальное понимание функции и структуры мозга имеет важные последствия для понимания когнитивных функций, а также того, как изменения в этой связи могут быть связаны с такими нарушениями, как болезнь Альцгеймера, аутизм, болезнь Паркинсона и шизофрения.

Биолог из Института Аллена Нуно да Коста сравнивает это с радиоприёмником: если у вас есть электрическая схема радио, вы будете в лучшем положении, чтобы его починить. В будущем учёные смогут использовать это, чтобы сравнить мозг здоровой мыши с мозгом больной.

Мозг мыши довольно похож на мозг человека, поэтому некоторые вещи, которые мы узнаем, изучая их нейронные схемы, могут быть применены и к нашему мозгу. Это может помочь исследователям открыть более целенаправленные лекарства для минимизации побочных эффектов при лечении психологических расстройств.

Следующим этапом в этих исследованиях будет полное картографирование всего мозга мыши.

Ранее математики решили геометрическую проблему, которая озадачивала ученых десятилетиями.