В нейробиологии совершён исторический прорыв: международный консорциум Flywire Consortium впервые полностью картировал нейроны и синаптические связи в мозге плодовой мухи (дрозофилы). Создание этого детального коннектома — карты всех нейронных соединений — знаменует собой огромный шаг вперёд в понимании принципов работы мозга. Полученные данные открывают новые горизонты для исследований, которые в перспективе могут привести к прорывам в лечении нейродегенеративных заболеваний человека, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона, терапия которых сегодня остаётся малоэффективной.
Доктор Мала Мурти, содиректор проекта в Принстонском университете, подчёркивает фундаментальную важность этой работы: «Чтобы понять, как мозг создаёт восприятие, мысли и действия, критически важно проследить весь путь информации — от сенсорных рецепторов до двигательных выводов». Новый коннектом предоставляет именно такую возможность.
Масштаб проекта: от личинки к взрослой особи
Ранее науке были доступны лишь частичные карты: коннектом личинки дрозофилы (3016 нейронов), круглого червя C. elegans (302 нейрона) и фрагменты мозга мыши. Проект Flywire впервые даёт полную картину мозга взрослого насекомого. Учёные смогли определить точное расположение, трёхмерную форму и взаимосвязи 139 255 нейронов, соединённых между собой примерно 50 миллионами синапсов.
Выбор объекта исследования — взрослой особи Drosophila melanogaster — не случаен. Этот модельный организм, несмотря на кажущуюся простоту, демонстрирует сложное поведение: способность к обучению, формированию памяти, полёту, ходьбе и даже своеобразному «пению» у самцов. «Если мы сможем понять один мозг, это непременно научит нас чему-то обо всех мозгах», — отмечает профессор Принстона Себастьян Сын, подчёркивая универсальность фундаментальных нейробиологических принципов.
Титанический труд: от срезов мозга до искусственного интеллекта
Создание коннектома потребовало десяти лет работы учёных из лабораторий Совета медицинских исследований (MRC), Принстонского, Кембриджского и Вермонтского университетов. Процесс начался с того, что мозг мухи, размером с маковое зёрнышко, был нарезан на 7000 сверхтонких срезов. Каждый срез был сфотографирован с помощью электронного микроскопа с разрешением до 40 нанометров, после чего изображения были собраны в единую трёхмерную модель.
Анализ полученных 100 терабайт данных для ручного отслеживания всех нейронных путей был бы невыполним — на это потребовалось бы более 4000 лет человеческого труда. Поэтому ключевую роль сыграл искусственный интеллект. «Мы обучили ИИ на первоначальных ручных реконструкциях, но модель допускала ошибки, которые затем исправлялись исследователями», — поясняет Грегори Джеффрис из Кембриджа. С 2019 года эти данные стали открытыми, позволив глобальному научному сообществу и волонтёрам совместно проверять и аннотировать результаты работы алгоритмов.
Результаты: «Google Maps» для мозга и новые открытия
Обработав коннектом, учёные смогли классифицировать и пометить более 8400 различных типов нейронов. Доктор Филипп Шлегель из MRC проводит яркую аналогию: «Этот набор данных можно сравнить с Google Maps для мозга: закономерности связей позволяют нам определить, какие структуры являются „улицами“, а какие — „зданиями“».
Карта уже привела к конкретным открытиям. Были обнаружены особые нейроны-интеграторы, обрабатывающие разные типы сенсорной информации, и так называемые диффузные нейроны, координирующие активность целых нейронных ансамблей. Учёные подтвердили чёткую организацию мозга: нейроны, отвечающие за движение, сконцентрированы в его основании, а зрительные — по бокам. Использование ИИ также позволило глубже изучить роль нейротрансмиттеров в передаче сигналов. Все детали проекта опубликованы в серии из девяти статей в журнале Nature.
Исследователи классифицировали более 8400 различных типов клеток.
Схема, показывающая клетки мозга слухового контура дрозофилы, нарисованная и аннотированная FlyWire.
Дорога к мозгу человека
Коннектом дрозофилы служит важнейшим трамплином для картирования более сложных мозгов. Мозг человека, насчитывающий 86 миллиардов нейронов и около 10 триллионов синапсов, представляет собой колоссальную задачу. На сегодняшний день картографирован лишь один кубический миллиметр человеческой мозговой ткани.
Следующая амбициозная цель консорциума Flywire — создание полного коннектома мозга мыши. Этот проект уже реализуется и, как ожидается, будет завершён в ближайшие пять-десять лет. Как заключил Джон Нгай, директор программы NIH BRAIN, «задача расшифровки мозга остаётся сложнейшей, но мы делаем уверенные шаги вперёд, закладывая фундамент для будущих открытий в медицине и нейронауках».
Обратите внимание: В Украине недавно провели тестирование новой РСЗО + видео в действии.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Недавно было завершено первое полное картирование нейронов и синаптических связей плодовой мухи.