Меньше игольного ушка. Ученые полностью реконструировали мозг плодовой мушки

Внутренние механизмы мозга плодовой мушки стали немного менее загадочными.

Открытие черного ящика

Личинка плодовой мухи стала четвертым организмом, у которого была отображена нейронная сеть. Ранее исследователи составили карту связей мозга нематоды, личинки головастика и червя. Это также самый большой коннектомом на сегодняшний день, хотя, глядя на него, этого не скажешь. Мозг детеныша плодовой мушки размером 170 на 100 на 70 микрометров содержит 3 016 нейронов. Пространство между нейронами называется синапсом, и когда один нейрон передает электрический импульс другому, образуется синаптическая связь. Именно так нейроны общаются друг с другом, создавая целые цепи, из которых состоят мысли и действия. Команда кропотливо проследила 548 000 синаптических связей. Теперь задача состоит в том, чтобы понять, как множество точных перестановок путей, соединяющих различные нейроны, обеспечивают поведение.

"Все мозги представляют собой сети взаимосвязанных нейронов, но мы не знаем, какова структура этих сетей, – говорит старший автор исследования Марта Златич, нейробиолог из Кембриджского университета, – Понимание структуры приближает нас к пониманию того, как активность мозга переходит в поведение".

"Мозг дрозофилы и других животных принимает сенсорную информацию и в ответ посылает сигналы, которые преобразуются в двигательные функции и поведение. Но этап между входом и выходом – это непрозрачный черный ящик. Мы можем изучать поведение и делать некоторые предположения о том, что на самом деле делает этот "черный ящик", но, по сути, существуют нейронные цепи, организованные очень специфическим образом, которые соединяют наши сенсоры с нашими двигательными системами", – говорит соавтор исследования Альберт Кардона, исследователь нейробиологии из Кембриджского университета.

Составив карту коннектома, команда смогла нанести на нее каждый отдельный нейрон вместе с каждой синаптической связью. Эта карта демонстрирует молниеносные процессы, проходящие в мозгу детеныша плодовой мушки, когда он реагирует на такие раздражители, как звук и запах.

Плодовая мушка в нас

Этот коннектом представляет собой несколько этапов. Во-первых, это шаг к картированию нейронных сетей более сложных организмов. В 1986 году ученые составили карту центральной нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans. Затем, в 2016 году, исследователи опубликовали коннектому личинки головастика, Ciona intestinalis. Совсем недавно, в 2020 году, ученые создали модель мозга личиночного червя аннелиды Platynereis dumerilii. Но это гораздо более простые структуры, чем мозг личинки плодовой мухи.

Фактически, в зависимости от того, кого вы спросите, детеныш плодовой мушки — это первый организм, чей коннектомом был нанесен на карту, который действительно можно назвать мозгом.

"Возможно, это первый мозг, – сказал соавтор исследования Джошуа "Джово" Фогельштейн, биомедицинский инженер из Университета Джона Хопкинса, – У C. elegans нет мозга отдельно от периферической нервной системы. Это просто пучок нервов". Периферическая нервная система обычно является посредником в передаче сенсорной информации из внешнего мира и контролирует непроизвольные процессы, такие как кровяное давление. Тем не менее, система нервов – это не то же самое, что коннектома, трещащая нейронными цепями, интегрирующая огромное количество информации при каждом выборе. Поэтому, хотя в данной работе подробно описывается коннектома четвертого в истории организма, это может быть первый организм, который считается мозгом.

Плодовые мушки также являются модельными организмами для изучения состояния человека. У человека и плодовой мушки около 60 процентов генетического материала является общим, поэтому эти насекомые являются хорошей отправной точкой для изучения всего, начиная от принятия решений и заканчивая раком. Благодаря тысячелетиям эволюции, совершенствующей мозг разных видов, эти нейронные пути напоминают человеческие, хотя и на гораздо более простом уровне. "Они не связаны случайным образом, – говорит Златик в интервью, – но эволюция тщательно сформировала их так, чтобы они подходили для целого ряда различных вычислений и функций". Златик говорит, что эти связи сохраняются у разных видов, что означает, что мозг развивался с аналогичными основами у других видов по мере их усложнения. Человеческий мозг с его 100 миллиардами нейронов и триллионами синаптических связей обладает многими возможностями, которых нет у мух, но у обоих видов есть общая основа.

Одна из этих функций включает в себя мышление. Детеныши плодовых мушек, вероятно, не думают, но их коннектомы, по словам Фогельштейна, "являются своего рода чертежом" для всего того мышления, которое есть у человека. В конечном итоге, Фогельштейн надеется, что коннектомы смогут раскрыть "механизмы просветления", которые делают человека созерцательным существом.

Составить карту мозга

В 2012 году команда из Кембриджа начала с изучения мозга детеныша плодовой мушки в электронном микроскопе, который позволяет получать изображения высокого разрешения бесконечно малых структур, используя электроны в качестве источника освещения. Затем, для создания коннектома, они сначала проследили вручную каждый нейрон и его синаптические связи. Затем, используя компьютер, команда кропотливо прорисовала каждый из 3 016 нейронов, двигаясь со скоростью один нейрон в день. Затем последовала работа по построению 548 000 синаптических связей. В общей сложности группе потребовалось около семи лет.

В 2019 году Фогельштейн начал анализировать сотни тысяч синаптических связей, чтобы найти наиболее значимые из них. Оказалось, что существует целый ряд интригующих связей. В общих чертах, нейрон состоит из двух частей: аксона и дендрита. По учебнику синаптическая связь идет от аксона к дендриту, но эти исследователи увидели синапсы, которые шли вразрез.

"Это были связи "аксон-аксон", "дендрит-дендрит" или "дендрит-аксон", — говорит соавтор исследования Майкл Уиндинг, научный сотрудник по зоологии Кембриджского университета. Более того, статистический анализ показал, что классические связи между аксонами и дендритами составляют лишь около половины синаптических связей. По словам Уиндинга, почти 46 процентов были "неканоническими видами", тогда как он ожидал, что подавляющее большинство из них будут аксон-дендритными связями. Следующий шаг – понять, чем отличаются эти связи.

Златик также отмечает, что нейроны, управляющие обучением, получают наибольшее количество обратной связи в нейронной цепи. Некоторые клетки мозга регистрируют только входные данные от ощущений, но другие принимают любую информацию. "Именно эта информация влияет на будущее обучение", – говорит она.

Путь вперед

Поскольку один нейрон соединяется с сетью других клеток различными путями, эта веха разветвляется на множество различных направлений исследований.

Один путь ведет к коннектомам более сложных организмов. Следующим логическим шагом будет зрелая плодовая мушка, а дальше — грызуны, приматы и, в конце концов, человек.

Эти исследования также подходят для изучения нервно-психических расстройств. Фактически, в следующем месяце Уиндинг покидает Кембриджский университет, чтобы создать исследовательскую группу в Институте Фрэнсиса Крика, где он будет изучать, как такие заболевания, как расстройство аутистического спектра, проявляются через синаптические связи. "Тогда мы сможем понять, как изменяются вычисления в мозге, особенно вычисления, которые важны для социального поведения", – говорит он.

Построение мозга нейрон за нейроном также полезно для создания более совершенного искусственного интеллекта. "Теперь, когда мы видим, что нейроны, связанные с обучением, являются наиболее повторяющимися, это поможет инженерам создать искусственный интеллект, который сможет учитывать в своем обучении любую информацию. По мере того, как мы сходимся в поиске этих замечательных архитектур, нам нужно начинать думать о том, насколько мощными будут эти модели искусственного интеллекта", – говорит Уиндинг, – Возможно, трудно понять, что общего у нас с личинками плодовых мушек, но они хранят ключ к пониманию нашего собственного разума".

Ранее Фокус писал про прорыв в нейробиологии. Ученые научились генерировать новые нейроны.