То, что ещё несколько лет назад казалось невозможным, стало реальностью: на днях международный исследовательский консорциум представил первую полную схему соединений всего мозга плодовой мухи. Этой карте сопутствует серия научных работ, демонстрирующих, как это достижение уже приводит к новым открытиям — и это только начало.
Зачем нам вообще нужны карты мозга?
Карты, отображающие каждый нейрон в мозге и все сложные связи между ними, называются коннектомами. Первым организмом, чья нервная система была полностью описана таким образом, стал червь Caenorhabditis elegans. Это произошло в 1986 году, когда была опубликована фундаментальная работа, которая определила дальнейшее развитие исследований этого организма — одного из самых используемых модельных объектов в науке. Влияние этих исследований ощущается и по сей день.
Однако у Caenorhabditis elegans фактически нет мозга — по крайней мере, в привычном для нас смысле. Червь способен на удивительные вещи, обладая лишь «нервным кольцом», которое даже демонстрирует базовое обучение, но для изучения сложностей человеческого мозга нужно искать другой организм.
И здесь на помощь приходит Drosophila melanogaster, плодовая муха. Этот вид является одним из самых полезных модельных объектов в нейробиологии.
«Мухи способны на множество сложных действий, таких как ходьба, полет, ориентация в пространстве, при этом их самцы даже «поют» для самок», — объяснил доктор Грегори Джефферис (Gregory Jefferis) из Кембриджского университета, один из руководителей исследования.
Мухи достигают этого благодаря 139 255 нейронам в их мозге, которые соединены более чем 50 миллионами синапсов.
«Если мы хотим понять, как работает мозг, нам необходимо механистическое понимание того, как все нейроны соединяются и позволяют нам мыслить, — продолжил Джефферис. — Для большинства мозгов у нас пока нет ни малейшего представления о том, как функционируют эти сети.»
Именно поэтому многие учёные поддерживают область коннектомики и понимают ценность картирования мозга на таком уровне.
Как мы к этому пришли?
Консорциум FlyWire был создан для того, чтобы использовать новейшие технологии и объединить знания десятков лабораторий по всему миру с целью создания полного коннектома мозга плодовой мухи. Однако задача, стоявшая перед ними, была грандиозной.
«Ещё несколько лет назад получение полного коннектома Drosophila казалось недостижимым», — написала Анита В. Девинени в статье «News & Views», сопровождающей опубликованные исследования.
Мозг Caenorhabditis elegans содержит всего 302 нейрона. Ученые ранее также картировали мозг личинки плодовой мухи, который насчитывает около 3 тысяч нейронов. Но для взрослой мухи им предстояло увеличить это число почти до 140 тысяч — и даже это ничтожно мало по сравнению с человеческим мозгом, в котором, как считается, около 80 миллиардов нейронов.
Создание карты началось с 21 миллиона изображений мозга взрослой самки плодовой мухи (что не может не радовать!). С помощью искусственного интеллекта (ИИ) эти изображения были выровнены, а затем были созданы 3D-реконструкции отдельных нейронов. Этот «черновой вариант» потребовал тщательной проверки, для чего консорциум привлёк сотни исследователей и добровольцев со всего мира — по оценкам, если бы один человек делал эту работу в одиночку, это заняло бы колоссальные 33 года.
«В 2021 году было проверено только 15% нейронов», — сказала доктор Шелли Авеневоли (Shelli Avenevoli), добавив, что невероятно, сколько удалось достичь всего за три года.
Затем были использованы другие существующие данные для идентификации и классификации синапсов — всех 50 миллионов! После этого перед учёными стояла задача «прочитать» карту. В одной из статей Джефферис, вместе с Дэви Боком (Davi Bock) из Университета Вермонта и другими коллегами, описали различные типы обнаруженных в мозге нейронов. В общей сложности их оказалось более 8 400, из которых свыше 4 500 были новыми для науки.
Некоторые из 3D-анимаций, созданных в ходе различных исследований, позволяют заглянуть внутрь разных участков мозга мухи. Например, можно погрузиться в её слуховые нейроны — клетки, с помощью которых самка улавливает «песни» потенциальных партнёров.
В этом же случае вы можете приблизить и исследовать часть внутреннего компаса мухи, называемого кольцом EPG.
Этот нейрон CT1 — один из всего двух, каждый из которых охватывает целый глаз и содержит более 140 тысяч синапсов.
Что нас ожидает дальше?
Это невероятный прорыв, но если вы надеетесь увидеть нечто подобное для человеческого мозга, придется подождать. Мозг мухи — меньше 1 миллиметра в ширину, тогда как человеческий мозг почти немыслимо сложнее.
Однако у команды уже есть следующая цель.
«Мозг мухи — это важная веха на пути к реконструкции схемы связей всего мозга мыши», — отметил доктор Себастьян Сын (Sebastian Seung) из Принстонского университета, один из руководителей исследования.
Теперь, когда FlyWire показал, чего можно достичь, нет причин, по которым этот подход нельзя постепенно масштабировать для решения более сложных задач. А пока новый коннектом уже способствует исследованиям, которые могут иметь важное значение для людей.
«Годы, потраченные на анатомические эксперименты по отслеживанию связей, заменяются несколькими щелчками на сайте FlyWire», — пишет Девинени.
Мухи делят с нами 60% ДНК, и есть много параллелей в том, как работают наши мозги. Публикация этой новой карты мозга — настоящий момент исторической важности, который наверняка будет определять исследования в нейробиологии на десятилетия вперед.
Основная статья опубликована в журнале Nature. Сопутствующие статьи, также опубликованные в журнале Nature, доступны на этой целевой странице.
