Самая большая в истории карта мозга показывает нейроны мыши в потрясающих деталях

Неврологи создали самую большую и самую подробную карту мозга млекопитающих, что стало эпохальным достижением

Исследователи создали самую большую и подробную на сегодняшний день электрическую схему мозга млекопитающих, построив изображение клеток, содержащихся в кубическом миллиметре мозговой ткани мыши. Это знаковое достижение — впервые в нейронауке на диаграмме подробно описана активность отдельных нейронов в крупном масштабе.

3D-карта высокого разрешения содержит более 200 000 клеток мозга, около 82 000 из которых являются нейронами. Она также включает более 500 миллионов точек соединения нейронов, называемых синапсами, и более 4 километров нейронных «проводов» — и всё это в крошечном участке ткани в области мозга, связанной со зрением. Единственная карта мозга сопоставимого масштаба — это карта кубического миллиметра человеческого мозга, включающая 16 000 нейронов и 150 миллионов синапсов. Новая карта также отражает активность десятков тысяч нейронов, подающих сигналы и взаимодействующих друг с другом для обработки визуальной информации.

Эта карта активности мозга в сочетании с электрической схемой стала важной вехой в коннектомике — области, цель которой — показать, как мозг обрабатывает и организует информацию. За масштабной работой стоят более 150 исследователей в рамках проекта «Машинный интеллект на основе кортикальных сетей» (MICrONS), которые описали свою работу в пакете из восьми статей, опубликованных в журналах Nature и Nature Methods. Проект MICrONS предоставил свои ресурсы сообществу нейробиологов в Интернете, и другие команды уже изучают их в различных исследованиях.

«Им удалось сделать то, чего мы не делали как сообщество нейробиологов практически за всю нашу историю, — нанести активность нейронов на проводку очень большой популяции нейронов», — говорит Мариэла Петкова, нейробиолог из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, которая не участвует в проекте. «Мы никогда не видели этого в таком масштабе».

Полученные данные «действительно потрясающе красивы», — говорит Форрест Колман, нейробиолог из Института Аллена по изучению мозга в Сиэтле (штат Вашингтон), соавтор исследований. «Глядя на них, действительно испытываешь благоговейный трепет перед сложностью мозга, который сродни созерцанию ночного неба, полного звёзд».

Мышь в матрице

Чтобы создать карту, исследователи сначала записали работу почти 76 000 нейронов в зрительной коре мыши, когда животное в течение двух часов смотрело различные видео, включая отрывки из «Матрицы». Затем они разрезали кубический миллиметр мозга мыши на тысячи тканевых срезов, толщина каждого из которых была в четыреста раз меньше толщины человеческого волоса.

Учёные сделали снимки каждого среза и собрали их в 3D-карту. Наконец, с помощью искусственного интеллекта и алгоритмов машинного обучения они составили аннотацию нейронов, их разветвлённых проекций и синапсов. Команда также сопоставила нейроны на карте с записями клеток мозга в действии.

Мориц Хельмштедтер, нейробиолог из Института исследований мозга имени Макса Планка во Франкфурте, Германия, говорит, что «сочетание данных о функционировании и структуре в таком масштабе» беспрецедентно. Это «очень впечатляющее начинание и успех».

Общая связь, общая работа

Работа позволила понять основные правила формирования нейронных цепей в мозге мыши. Например, авторы обнаружили, что нейроны в коре головного мозга, реагирующие на сходные типы визуальных признаков — например, определённые формы или направления движения, — часто образуют больше связей друг с другом, независимо от того, насколько они удалены друг от друга, чем с нейронами, которые специализируются на другом типе признаков.

По словам Колмана, полученные результаты вносят новую изюминку в давно известную в нейронауке теорию о том, что «нейроны, которые активируются вместе, соединены вместе» [fire together, wire together]. Предыдущие исследования проверяли эту теорию только на ограниченном количестве нейронов и синапсов. Нынешнее исследование показывает, что «существует разнообразие [в том], насколько это правило применимо ко всем различным компонентам коры», — добавляет он.

Исследователи MICrONS надеются, что их набор данных поможет выявить различные особенности и процессы в мозге. «Есть множество областей коры, которые мы понимаем с разной степенью детализации и по-разному. И я думаю, что это только начало изучения структуры и функций», — говорит Клэй Рид, нейробиолог из Института Аллена и соавтор работы MICrONS.

Хельмштедтер говорит, что исследователи могут использовать карты связей для изучения того, как мозг хранит и вспоминает визуальные воспоминания, например, «наши воспоминания о последней вечеринке по случаю дня рождения или о наших бабушках и дедушках». Это «большие открытые вопросы о коре головного мозга млекопитающих, которые всё ещё остаются действительно фундаментальными», — добавляет он.

По словам Нуно Масарико да Косты, нейроанатома из Института Аллена и другого соавтора работ MICrONS, опубликованная карта охватывает около 0,2% мозга мыши, но команда MICrONS будет тестировать технологии для создания карты всего мозга животного.