Исследователи составили самую совершенную на сегодняшний день карту мозга насекомого, что является знаковым достижением в нейронауке и приближает ученых к истинному пониманию механизма мышления.

Международная группа под руководством Университета Джона Хопкинса и Кембриджского университета составила потрясающе подробную схему, прослеживающую каждую нейронную связь в мозге личиночной плодовой мушки - архетипической научной модели с мозгом, сравнимым с человеческим.

Результаты работы, которые, вероятно, лягут в основу будущих исследований мозга и вдохновят на создание новых архитектур машинного обучения, опубликованы сегодня в журнале Science.

"Если мы хотим понять, кто мы такие и как мы мыслим, частью этого является понимание механизма мышления", - сказал старший автор Джошуа Т. Фогельштейн, биомедицинский инженер из Университета Джона Хопкинса, который специализируется на проектах, основанных на данных, включая коннектомику - изучение связей в нервной системе. "И ключ к этому - знание того, как нейроны соединяются друг с другом".

Первая попытка составить карту мозга - 14-летнее исследование круглого червя, начатое в 1970-х годах, - привела к созданию частичной карты и присуждению Нобелевской премии. С тех пор частичные коннектомы были отображены во многих системах, включая мух, мышей и даже человека, но эти реконструкции, как правило, представляют лишь крошечную часть всего мозга. Полные коннектомы были созданы только для нескольких мелких видов с количеством нейронов от нескольких сотен до нескольких тысяч в теле - круглого червя, личиночного морского червя и личиночного морского червя-аннелиды.

Составленный этой командой коннектомом детеныша плодовой мушки, личинки Drosophila melanogaster, является самой полной, а также самой обширной картой всего мозга насекомого из когда-либо созданных. Она включает 3 016 нейронов и все связи между ними: 548,000.

"Прошло 50 лет, и это первая коннектома мозга. Это знак на песке, что мы можем это сделать", - сказал Фогельштейн. "Все работало до этого".

Картирование целого мозга - сложная и чрезвычайно трудоемкая задача, даже при использовании лучших современных технологий. Для получения полной картины мозга на клеточном уровне требуется разрезать мозг на сотни или тысячи отдельных образцов тканей, все из которых должны быть исследованы с помощью электронных микроскопов, прежде чем начнется кропотливый процесс реконструкции всех этих кусочков, нейрон за нейроном, в полный, точный портрет мозга. Чтобы сделать это с детенышем плодовой мушки, потребовалось более десяти лет. Мозг мыши, по оценкам, в миллион раз больше, чем мозг плодовой мушки, а это значит, что возможность создания карты, близкой к человеческому мозгу, маловероятна в ближайшем будущем, возможно, даже не в нашей жизни. Команда намеренно выбрала личинку плодовой мушки, поскольку, будучи насекомым, этот вид разделяет с человеком большую часть его фундаментальной биологии, включая сопоставимую генетическую основу. Она также обладает богатыми способностями к обучению и принятию решений, что делает ее полезным модельным организмом в нейронауке. А для практических целей его относительно компактный мозг можно визуализировать и реконструировать его схемы в разумные сроки.

Несмотря на это, работа заняла у Кембриджского университета и Университета Джона Хопкинса 12 лет. Только на визуализацию каждого нейрона ушло около одного дня.

Кембриджские исследователи создали изображения мозга с высоким разрешением и вручную изучили их, чтобы найти отдельные нейроны, тщательно проследить каждый из них и связать их синаптические связи.

Кембридж передал данные в Джонс Хопкинс, где команда провела более трех лет, используя созданный ими оригинальный код для анализа связей мозга. Команда Джона Хопкинса разработала методы поиска групп нейронов на основе общих моделей связи, а затем проанализировала, как информация может распространяться по мозгу.

В итоге команда в полном составе составила карту каждого нейрона и каждой связи и распределила каждый нейрон по роли, которую он играет в мозге. Они обнаружили, что самыми загруженными цепями мозга являются те, которые ведут к нейронам центра обучения и от них.

Методы, которые разработал Джонс Хопкинс, применимы к любому проекту по изучению связей в мозге, и их код доступен тому, кто попытается составить карту мозга еще более крупного животного, сказал Фогельштейн, добавив, что, несмотря на трудности, ученые намерены взяться за мышь, возможно, в течение следующего десятилетия. Другие команды уже работают над созданием карты мозга взрослой плодовой мушки. Соавтор первого исследования Бенджамин Педиго, докторант кафедры биомедицинской инженерии Университета Джонса Хопкинса, ожидает, что код команды поможет выявить важные сравнения между связями в мозге взрослых и личинок. По мере создания коннектомов для большего числа личинок и других родственных видов, Педиго ожидает, что методы анализа могут привести к лучшему пониманию вариаций в проводке мозга.

В работе с личинками плодовых мушек были обнаружены особенности схем, которые поразительно напоминают известные и мощные архитектуры машинного обучения. Команда ожидает, что дальнейшее изучение позволит выявить еще больше вычислительных принципов и потенциально вдохновит на создание новых систем искусственного интеллекта.

"То, что мы узнали о коде плодовых мушек, будет иметь последствия для кода человека", - сказал Фогельштейн. "Именно это мы и хотим понять - как написать программу, которая приведет к созданию сети человеческого мозга".