Менше за вушко голки. Вчені повністю реконструювали мозок плодової мушки

Чи замислювалися ви колись, про що думає плодова муха? Можливо, вона розмірковує про те, як часто дзижчати біля вашого вуха або де оптимальне місце для посадки на вашій скибочці кавуна. Зміст думок Drosophila melanogaster залишається загадкою, але неврологи та біоінженери з Університету Джона Гопкінса та Кембриджського університету починають розуміти нейронні шляхи, що лежать в основі кожного її руху, пише Inverse.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтеся, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

У дослідженні, опублікованому цього тижня, група дослідників реконструювала мозок плодової мушки, нейрон за нейроном, і можливі шляхи між цими клітинами мозку. Ця карта називається конектомом, і це перший випадок, коли дослідники досягли такого результату на плодовій мушці. За словами авторів статті, нова карта нейронних зв'язків може навіть розповісти дещо про нашу власну свідомість і поведінку.

Відкриття чорної скриньки

Личинка плодової мухи стала четвертим організмом, у якого було відображено нейронну мережу. Раніше дослідники склали карту зв'язків мозку нематоди, личинки пуголовка та черв'яка. Це також найбільший конектом на сьогодні, хоча, дивлячись на нього, так не скажеш. Мозок дитинчати плодової мушки розміром 170 на 100 на 70 мікрометрів містить 3016 нейронів. Простір між нейронами називається синапсом, і коли один нейрон передає електричний імпульс іншому, утворюється синаптичний зв'язок. Саме так нейрони спілкуються один із одним, створюючи цілі ланцюги, з яких складаються думки та дії. Команда ретельно простежила 548 000 синаптичних зв'язків. Тепер завдання полягає в тому, щоб зрозуміти, як багато точних перестановок шляхів, що з'єднують різні нейрони, забезпечують поведінку.

"Увесь мозок є мережами взаємопов'язаних нейронів, але ми не знаємо, яка структура цих мереж, — каже старша авторка дослідження Марта Златик, нейробіологиня з Кембриджського університету, — розуміння структури наближає нас до розуміння того, як активність мозку переходить у поведінку".

"Мозок дрозофіли й інших тварин приймає сенсорну інформацію та у відповідь посилає сигнали, які перетворюються на рухові функції та поведінку. Але етап між входом і виходом — це непрозора чорна скринька. Ми можемо вивчати поведінку та робити деякі припущення про те, що насправді робить ця "чорна скринька", але, по суті, існують нейронні ланцюги, організовані дуже специфічно, які з'єднують наші сенсори з нашими руховими системами", — каже співавтор дослідження Альберт Кардона, дослідник нейробіології з Кембриджського університету.

Склавши карту конектуму, команда змогла нанести на неї кожен окремий нейрон разом із кожним синаптичним зв'язком. Ця карта демонструє блискавичні процеси, що проходять у мозку дитинчати плодової мушки, коли воно реагує на такі подразники як звук і запах.

Плодова мушка в нас

Цей конектом складається з кількох етапів. По-перше, це крок до картування нейронних мереж складніших організмів. У 1986 році вчені склали карту центральної нервової системи нематоди Caenorhabditis elegans. Потім, у 2016 році, дослідники опублікували конектом личинки пуголовка, Ciona intestinalis. Нещодавно, у 2020 році, вчені створили модель мозку личинкового хробака анеліди Platynereis dumerilii. Але це набагато простіші структури, ніж мозок личинки плодової мухи.

Фактично, залежно від того, кого ви запитаєте, дитинча плодової мушки — це перший організм, чий конектом був нанесений на карту і який дійсно можна назвати мозком.

"Можливо, це перший мозок, — сказав співавтор дослідження Джошуа "Джово" Фогельштейн, біомедичний інженер із Університету Джона Гопкінса. — У C. elegans немає мозку окремо від периферичної нервової системи. Це просто пучок нервів".

Периферична нервова система зазвичай є посередником передачі сенсорної інформації із зовнішнього світу й контролює мимовільні процеси, такі як кров'яний тиск. Тим не менш, система нервів — це не те ж саме, що конектом, який тріщить нейронними ланцюгами, що інтегрує величезну кількість інформації під час кожного вибору. Тому, хоча в цій роботі докладно описується конектом четвертого в історії організму, це може бути перший організм, який вважається мозком.

Плодові мушки також є модельними організмами вивчення стану людини. У людини та плодової мушки близько 60 відсотків генетичного матеріалу є загальним, тому ці комахи є гарною відправною точкою для вивчення всього, починаючи від ухвалення рішень і закінчуючи раком. Завдяки тисячоліттям еволюції, що вдосконалює мозок різних видів, ці нейронні шляхи нагадують людські, хоч і на набагато простішому рівні.

"Вони не пов'язані випадковим чином, — каже Златик в інтерв'ю, — але еволюція ретельно сформувала їх так, щоб вони підходили для цілої низки різних обчислень і функцій".

Златик каже, що цей зв'язок зберігаються в різних видів, що означає, що мозок розвивався з аналогічними основами в інших видів у міру їх ускладнення. Людський мозок із його 100 мільярдами нейронів і трильйонами синаптичних зв'язків має багато можливостей, яких немає у мух, але в обох видів є загальна основа.

Одна з цих функцій включає мислення. Дитинчата плодових мушок, імовірно, не думають, але їхні конектоми, за словами Фогельштейна, "є свого роду кресленням" для всього того мислення, яке є в людини. Зрештою, Фогельштейн сподівається, що конектоми зможуть розкрити "механізми просвітлення", які роблять людину споглядальною істотою.

Скласти карту мозку

У 2012 році команда з Кембриджу почала з вивчення мозку дитинчати плодової мушки в електронному мікроскопі, який дозволяє отримувати зображення високої роздільної здатності нескінченно малих структур, використовуючи електрони як джерело освітлення. Потім для створення конектому вони спочатку простежили вручну кожен нейрон і його синаптичні зв'язки. Потім, використовуючи комп'ютер, команда ретельно промалювала кожен із 3016 нейронів, рухаючись зі швидкістю один нейрон на день. Потім була робота з побудови 548 000 синаптичних зв'язків. Загалом групі знадобилося близько семи років.

2019 року Фогельштейн почав аналізувати сотні тисяч синаптичних зв'язків, щоб знайти найбільш значущі з них. Виявилося, що існує ціла низка інтригуючих зв'язків. Загалом нейрон складається з двох частин: аксона й дендрита. За підручником, синаптичний зв'язок іде від аксона до дендрита, але ці дослідники побачили синапси, які йшли врозріз.

"Це були зв'язки "аксон-аксон", "дендрит-дендрит" або "дендрит-аксон", — каже співавтор дослідження Майкл Віндінг, науковий співробітник із зоології Кембриджського університету.

Ба більше, статистичний аналіз показав, що класичні зв'язки між аксонами та дендритами становлять лише близько половини синаптичних зв'язків. За словами Віндінга, майже 46 відсотків були "неканонічними видами", тоді як він очікував, що переважна більшість із них будуть аксон-дендритними зв'язками.

Златик також зазначає, що нейрони, які керують навчанням, отримують найбільшу кількість зворотного зв'язку в нейронному ланцюзі. Деякі клітини мозку реєструють лише вхідні дані від відчуттів, але інші приймають будь-яку інформацію.

"Саме ця інформація впливає на майбутнє навчання", — каже вона.

Шлях уперед

Оскільки один нейрон з'єднується з мережею інших клітин різними шляхами, ця віха розгалужується на безліч різних напрямів досліджень.

Один шлях веде до конектуму складніших організмів. Наступним логічним кроком буде зріла плодова мушка, а далі гризуни, примати і, зрештою, людина.

Ці дослідження також підходять для вивчення нервово-психічних розладів. Фактично наступного місяця Віндінг покидає Кембриджський університет, щоб створити дослідницьку групу в Інституті Френсіса Кріка, де він вивчатиме, як захворювання на кшталт розладу аутистичного спектру виявляються через синаптичні зв'язки.

"Тоді ми зможемо зрозуміти, як змінюються обчислення в мозку, особливо обчислення, які є важливими для соціальної поведінки", — говорить він.

Побудова мозку нейрон за нейроном також корисний до створення досконалішого штучного інтелекту.

"Тепер, коли ми бачимо, що нейрони, пов'язані з навчанням, є найповторюванішими, це допоможе інженерам створити штучний інтелект, який зможе враховувати у своєму навчанні будь-яку інформацію. У міру того, як ми сходимося в пошуку цих чудових архітектур, нам треба починати думати про те, наскільки потужними будуть ці моделі штучного інтелекту, — каже Віндінг. — Можливо, важко зрозуміти, що спільного в нас із личинками плодових мушок, але вони зберігають ключ до розуміння нашого власного розуму".

Раніше Фокус писав про прорив у нейробіології. Вчені навчилися генерувати нові нейрони.