Прорив для нейронауки: вчені вперше повністю мапували частину мозку миші

У 1979 році біолог Френсіс Крік заявив, що буде неможливо створити точну діаграму з'єднань у мозку та активності нейронів — навіть у межах лише кубічного міліметра тканини мозку. Тепер команда з понад 150 дослідників довела, що він помилявся, створивши карту крихітної частини мозку миші.

• Навіть тут ми програли: штучний інтелект робить кращі меми, ніж люди

Деталі

Як детально описано в колекції з десяти досліджень, опублікованій цього тижня в журналах Nature, команда міждисциплінарних вчених, які беруть участь у проєкті Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS), відобразила з'єднання та візуальні функції частини мозку миші розміром приблизно з піщинку. Ця монументальна робота являє собою найдетальнішу схему з’єднання мозку ссавців за всю історію, і вона має важливі наслідки для вивчення розладів мозку у людей.

На карті зображено 200 000 клітин, 523 мільйони синапсів (з’єднання між нейронами) і понад три кілометри аксонів (частина нейрона, яка передає електричні імпульси). Усі ці дані становлять 1,6 петабайта, що еквівалентно приблизно 22 рокам безперервного відео високої чіткості. Нейробіолог з Інституту Аллена Форрест Колман пояснює:

Уявіть своєрідні карти Google для мозку, які показують не тільки основні магістралі, але й кожну маленьку вулицю, кожен будинок, кожну кімнату всередині кожного будинку і навіть кожні двері та вікна. Подібно до того, як люди використовують Карти Google, щоб визначити найкращий маршрут із пункту А в пункт Б або навіть перевірити, чи існує маршрут взагалі, така детальна карта мозку дозволяє вченим побачити, чи з’єднані два нейрони та де саме відбуваються ці з’єднання.

Щоб створити карту мозку, дослідники працювали з лабораторною мишею, генетично сконструйованою так, щоб її нейрони спалахували, коли вони видають електричний сигнал. Потім вони записали мозкову активність у її зоровій корі — ділянці мозку, пов’язаній із зором — під час перегляду відео.

Потім дослідники витягли кубічний міліметр мозкової тканини та розрізали її приблизно на 28 000 шарів — кожен приблизно в 400 разів тонший за людську волосину. Вони сфотографували кожен шар, використали штучний інтелект для обробки зображень у цифрову тривимірну діаграму та поєднали її з раніше записаними моделями активності мозку, пов’язаними із зором.

Оскільки вони досліджували, як нейрони миші світяться під час перегляду відео, команда могла порівняти нанесену на карту структуру нейронів із їхніми функціями та з’ясувати, як працюють зв’язки між ними.

Діаграма мозку розкрила нові типи клітин, характеристики, взаємозв'язки та правила організації та функціонування — і це лише початок. Дослідники також виявили раніше невідому складність інгібіторних клітин або клітин, які пригнічують мозкову активність. Вони виявили, що ці клітини є високоселективними, націлюючись на певні набори нейронів.

Таке детальне розуміння функції та структури мозку має важливі наслідки для розуміння когнітивних функцій, а також того, як зміни в цьому зв’язку можуть бути пов’язані з такими розладами, як хвороба Альцгеймера, аутизм, хвороба Паркінсона та шизофренія.

Біолог з Інституту Аллена Нуно да Коста порівнює це з радіоприймачем: якщо у вас є електрична схема радіо, ви будете в кращому становищі, щоб його полагодити. У майбутньому вчені зможуть використовувати це, щоб порівняти мозок здорової миші з мозком хворої.

Мозок миші досить схожий на мозок людини, тому деякі речі, які ми дізнаємося, вивчаючи їх нейронні схеми, можуть бути застосовані й до нашого мозку. Це може допомогти дослідникам відкрити більш цілеспрямовані ліки для мінімізації побічних ефектів при лікуванні психологічних розладів.

Наступною віхою у цих дослідженнях буде повне картографування усього мозку миші.

Раніше математики вирішили геометричну проблему, яка спантеличувала вчених десятиліттями.