Учёные выяснили, как нейроны в неокортексе мыши образуют синаптические связи
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (фр. École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL), разрабатывающие Blue Brain Project, объединили два больших массива данных для создания первого проекта модели правил, определяющих нейрон-нейронное взаимодействие в неокортексе мыши. Они создали статистически достоверный пример микроконнектома из 10 миллионов нейронов, содержащий 88 миллиардов синаптических соединений. Этот объединённый массив может стать основой для самого масштабного в мире моделирования точных нейронных контуров.
Структура синаптических связей между нейронами обусловливает их активность и функции. Измерение моментального снимка коннектома, включающего такое множество аспектов, до сих пор производилось только в небольшом объёме — меньше булавочной головки. Бо́льшие объёмы конфигураций нейрональных связей с большим радиусом действия, образованных пучками очень тонких, но длинных волокон, изучались только для отдельных нейронов, что не способствовало формированию общей картины. В качестве альтернативы коннектом был изучен на макроуровне, с учётом приближённых, средних характеристик, не предполагавших разрешения с масштабом в одну клетку.
В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи из Blue Brain Project показали, что можно объединить эти два подхода. Совместив данные из двух новых наборов данных — Allen Mouse Brain Connectivity (Атлас межнейронных связей мозга мыши Аллена) и Janelia MouseLight, — исследователи определили некоторые из ключевых правил, задающих формирование связей на больших расстояниях в неокортексе. Это стало возможным благодаря тому, что оба набора данных дополняли друг друга с точки зрения цельности неокортекса и клеточного разрешения.
Опираясь на результаты предыдущей работы по моделированию местных мозговых цепей, исследователи смогли параметризовать принципы неокортикальных межнейронных связей и создать статистические примеры соединения, совместимые с ними. Изучая полученную структуру, они обнаружили нечто интересное: при хорошем клеточном разрешении оказалось, что сложнейшая структура, прежде различимая только между соседними нейронами, связывает нейроны в разных регионах и на противоположных концах мозга. Это сопоставимо с правилом самоподобия, ранее обнаруженном на человеческом мозге (с помощью данных МРТ) и позволяет предположить, что новое правило распространяется до уровня отдельных нейронов.
«Мы смогли создать подобный черновой набросок коннектома мышиного неокортекса, усовершенствовав алгоритмы нашего предыдущего проекта реконструкции схемы соматосенсорной коры, — говорит исследователь Михаэль Райманн (Michael Reimann). — В новой версии улучшено размещение нейронов в атласе мозга посредством определения их положения в трёхмерном пространстве, вместо того, чтобы располагать их в гексагональных призмах, была учтена геометрия и клеточный состав отдельных областей мозга. Чтобы начать процесс итеративного уточнения, мы выложили модель и полученные данные в открытом доступе. Параметризированные ограничения на достоверность прогнозируемых показателей, картирование, профили уровня и индивидуальное нацеливание на аксоны (то есть набор правил для прогнозирования), а также стохастические реализации микроконнектомов всего неокортекса можно найти на Blue Brain Portal».
Этот коннектом, будучи выложенным в открытый доступ, может стать мощной нулевой моделью для сравнения результатов экспериментов с симуляциями точных нейронных сетей мозга в целом. Разреженные матрицы соединений в нескольких примерах прогнозируемой нулевой модели неокортикальных межнейронных связей с большим радиусом охвата также находятся в открытом доступе, их результаты демонстрируют преимущества того, чтобы выкладывать наборы данных в открытый доступ.
Метод моделирования позволил учёным нацеливаться на объёмы, на несколько порядков меньшие, чем это было бы возможно при использовании экспериментальных методов. Вплоть до раздражения отдельных нейронов с субклеточным разрешением. В дальнейшем это позволит моделировать электрическую активность как отдельных нейронов, так и целых областей или всего неокортекса.
«Эта публикация основана на предыдущих работах Blue Brain по оценке морфологических ограничений межнейронных связей, — поясняет директор Blue Brain Генри Маркрам (Henry Markram). — Полученные результаты позволяют увеличить скорость проведения экспериментов, и теперь мы сможем построить биологически точные модели мозга в большем разрешении, что поспособствует продвижению моделирования».