Первое полное картирование мозга дрозофилы

Недавно было завершено первое полное картирование нейронов и синаптических связей плодовой мухи. Эта грандиозная работа принадлежит международному консорциуму Flywire Consortium. Создание коннектома представляет собой крупное достижение в области нейронаук и, несомненно, приведет к лучшему пониманию человеческого мозга.

Лечение нейродегенеративных заболеваний, таких как деменция (включая болезнь Альцгеймера) и болезнь Паркинсона, до сих пор является экспериментальным и недостаточно эффективным. Сложность человеческого мозга и недостаточное понимание схем, из которых он состоит, затрудняют разработку целенаправленных методов лечения. «Чтобы понять, как мозг генерирует восприятие, мысли и действия, крайне важно понять, как информация проходит от сенсорных рецепторов до моторных выходов», — объясняет доктор Мала Мурти, соруководитель проекта Flywire в Принстонском университете.

Предыдущие исследования позволили частично картировать мозг личинки плодовой мухи, состоящий из 3016 нейронов, а также мозг червя нематоды, состоящий из 302 нейронов. Также было опубликовано частичное картирование мозга мыши. Однако новый полный коннетом плодовой мухи (или дрозофилы), созданный в рамках проекта Flywire, является первым, в котором подробно описан весь мозг взрослого насекомого. Ученые определили расположение, форму и связи 139 255 нейронов в мозге Drosophila melanogaster, а также 50 миллионов синапсов, которые их соединяют.

Для достижения этой цели исследователям из консорциума Flywire потребовалось десять лет работы в лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям (MRC), Принстонского университета, Университета Вермонта и Кембриджского университета. Взрослая дрозофила была выбрана из-за ее важности для нейронаук. Эта муха, способная ходить и летать, также демонстрирует сложные формы поведения, такие как обучение и хорошая память. Самцы даже могут «петь», чтобы привлечь самок.

«Почему нас должен интересовать мозг плодовой мухи?» — спрашивает в пресс-релизе Себастьян Сеунг, профессор информатики и неврологии Принстонского университета и один из руководителей проекта Flywire. «Если нам удастся понять один мозг, это обязательно научит нас чему-то обо всех мозгах».

Тщательный и сложный процесс

Для создания коннектома исследователи начали с того, что разрезали мозг плодовой мушки, размером не больше макового зернышка, на 7 000 участков. Каждый участок фотографировали с помощью микроскопа высокого разрешения, фиксируя структуры толщиной не менее 40 нанометров. Полученные изображения затем собирались в трехмерное изображение мозга.

Анализ почти 100 терабайт изображений, чтобы проследить путь 139 255 нейронов и их 50 миллионов синаптических связей, — сложный процесс. Поэтому исследователи обратились к искусственному интеллекту. Грегори Джефферис из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже объясняет: «Мы начали с ручной идентификации нейронов, но это потребовало бы более 4 000 лет работы человека».

Однако модели искусственного интеллекта, хотя и обученные на основе работы ученых, допускали ошибки при реконструкции нейронов, что требовало ручного вмешательства для их исправления. После этого команда открыла данные для научного сообщества, предоставив исследователям и добровольцам возможность сотрудничать (с 2019 года) для анализа и аннотирования результатов работы моделей ИИ.

Когда коннектома была завершена, ученые смогли обозначить различные типы нейронов и синаптических связей, классифицировав более 8 400 различных типов клеток. «Этот набор данных можно сравнить с Google Maps, но для мозга: схема соединений между нейронами позволяет определить, какие структуры на спутниковых снимках Земли соответствуют улицам и зданиям», — объясняет доктор Филипп Шлегель из лаборатории MRC. Эта новая карта предоставляется мировому научному сообществу для будущих исследований.

Исследователи классифицировали более 8 400 различных типов клеток.

Схема мозга также позволила исследователям сделать несколько многообещающих открытий. Например, они выявили нейроны, которые объединяют различные типы информации, и другие, называемые диффузорами, которые координируют деятельность нейронных цепей. Нейроны, участвующие в движении, были расположены в основании мозга, а нейроны, обрабатывающие зрение, — латерально. Использование искусственного интеллекта также позволило лучше понять роль нейротрансмиттеров в усилении или подавлении сообщений нейронов. Подробности проекта Flywire были опубликованы в девяти статьях в журнале Nature.

Изображение, показывающее клетки мозга слуховых цепей мухи рода дрозофил, нанесенное на карту и аннотированное FlyWire.

По мнению исследователей, коннектома дрозофилы послужит трамплином для картирования более сложных мозгов, в частности человеческого мозга с его 86 миллиардами нейронов и ста тысячами миллиардов синапсов.

На сегодняшний день на карту нанесен только один кубический миллиметр человеческого мозга. Следующим шагом консорциума Flywire станет полное картирование мозга мыши — проект, который сейчас находится в стадии реализации и должен быть завершен через пять-десять лет. «Задача расшифровки работы мозга остается титанической», — заключает Джон Нгай, директор Инициативы по изучению мозга в Национальном институте здоровья США.