Для мушиного мозга сделали полную карту синапсов

Мозг взрослой дрозофилы состоит примерно из 140 тысяч нейронов и 54,5 миллионов синапсов, которые теперь в виде трёхмерной карты доступны всем желающим.

Нет нужды подробно объяснять, в чём смысл межнейронных соединений, или синапсов: через синапсы нейроны передают друг другу электрохимические сигналы, стимулируя или, наоборот, подавляя активность в нейронных цепях; чем бы мозг ни занимался, его работа опирается на нейронные цепи, влияющие друг на друга. Можно ли сделать полную карту этих цепей, то есть нейронов и синапсов? Можно, но очень сложно. Для человеческого мозга с его более чем 80 млрд нейронов и 100 трлн синапсов такие карты делают для очень небольших участков мозга, и даже эти микрокарты не учитывают все синапсы. Пока что предел возможностей здесь – муха дрозофила, но и для её мозга полную карту удалось построить вот только сейчас.

Предыдущие достижения были связаны с нематодой, у которой на всё тело всего 302 нейрона, личинками асцидии, морского многощетинкового червя, у которых нейронов тоже порядка нескольких сотен, и личинкой той же дрозофилы, у которой в мозге чуть больше трёх тысяч нейронов. У взрослой дрозофилы их 139 255, но, кроме того, взрослая муха живёт совсем иначе, чем личинка: у неё есть зрение, она ходит ногами и летает крыльями. Поэтому у неё не просто больше нейронов, они соединены сложнее, потому что информационная нагрузка на них ощутимо больше. На самом деле, мы как-то писали, что для мозга взрослой дрозофилы построили карту, но та карта была не очень подробной именно в смысле синапсов.

Сейчас в Nature вышло девять статей, в которой участники большого международного консорциума FlyWire описывают трёхмерную карту 139 255 нейронов мозга взрослой дрозофилы и более чем 54,5 млн синапсов. Мозг шириной менее одного миллиметра нарезали примерно на семь тысяч ломтиков, после чего каждый из них просканировали в электронном микроскопе. Получилось около 100 терабайт картинок, которые теперь предстояло состыковать вместе. Естественно, было не обойтись без искусственного интеллекта, но поскольку искусственный интеллект время от времени делает ошибки, его результаты проверяли волонтёры по всему миру – исследователи сделали специальную онлайн-платформу, где этим можно было заниматься. Исследователи из консорциума FlyWire вместе с волонтёрами внесли в ИИ-данные более 3 млн правок.

Карта без обозначений бесполезна, поэтому, опираясь на предыдущие работы по нейробиологии дрозофилы, все синапсы описали как возбудительные или ингибирующие – первые стимулируют активность того нейрона, на который подают сигнал, вторые, наоборот, заставляют принимающий нейрон уменьшить активность. Сами нейроны группировали по видам, которых набралось 8453, из них больше половины описаны впервые. Разнообразие видов нейронов было не единственным сюрпризом, например, оказалось, что нейроны, передающие зрительную информацию, также принимают сигналы от нейронов, передающих слуховые, осязательные и другие сенсорные импульсы.

На основе карты сделали компьютерную модель мозга дрозофилы, которую стимулировали разными виртуальными сигналами. То есть, например, в компьютерной модели на «нейроны сладкого вкуса» и «нейроны горького вкуса» действовали «сладким» и «горьким», после чего в модели возбуждались «нейроны», отвечающие за движение мышиного хоботка: от «сладкого» он как бы расправлялся, будучи готов вкушать пищу, от «горького» поджимался, отказываясь от неприятного вкуса. В экспериментах с компьютерной моделью использовали более полутора сотен разных стимулов, и, что самое главное, их потом проверяли на живых мухах. В 90% случаев сигналы в живом мозге шли теми же путями и давали туже реакцию, что и сигналы в модели, построенной по полной нейронно-синаптической карте.

В другой статье также с помощью новой карты изучали нейронный аппарат, который помогает мухе вовремя перестать идти (да, нейронные импульсы нужны не только для того, чтобы начать куда-то идти, но и чтобы перестать). Оказалось, что таких нейронов есть три разных вида. «Стоп-нейроны» двух видов подавляют активность тех, которые побуждают к движению – то есть как если бы у автомобиля отпустили педаль газа. «Стоп-нейроны» третьего вида активно запрещают ногам двигаться и стабилизируют положение покоя – как если бы у автомобиля нажали на педаль тормоза. Работают те и другие в разных контекстах. В первом случае «стоп-нейроны» срабатывают, когда приходит пора поесть, и активируются они сигналами от клеток, которые чувствуют сахар. То есть «сахарные нейроны» активируют «стоп-нейроны» первых двух типов, а эти подавляют нейроны движения. Во втором случае «стоп-нейроны» включаются, когда муха чистится, поднимая по очереди разные лапы – в таком положении ей надо быть максимально устойчивой и подавлять всякое движение в суставах.

Несомненный плюс полной карты коннектома (то есть всех межнейронных соединений) в том, что теперь любую гипотезу о мозге можно будет с ней сверить. Если, к примеру, в гипотезе о каких-то поведенческих импульсах понадобятся какие-то странные синапсы, которых нет на карте, к ней надо будет отнестись как минимум с осторожностью. Ну а минус новой карты в том, что она построена на материале одного-единственного мозга, а индивидуальной изменчивости у нас никто не отменял. Вообще-то исследователи попытались оценить на примере небольших участков, которые картировали раньше и с другими мухами, насколько их карта может отличаться. Оказалось, что примерно у 0,5% нейронов могут появляться синапсы, обусловленные индивидуальными особенностями развития, то есть они могут выглядеть иначе у разных особей. Кроме того, даже у одной и той же мухи межнейронные соединения могут как-то меняться в течение жизни. Тем не менее, эта карта – та основа, с которой можно работать, относительно которой можно изучать варианты, отличия и прочее в том же роде.

Что до более сложных мозгов, то тут задача картирования усложняется многократно. В прошлом году мы писали о клеточном атласе мозга человека, причём речь там идёт не обо всём мозге, а лишь об отдельных зонах, числом чуть более ста. Из этих зон взяли более 3 млн нейронов, среди которых вычленили более 3 тыс. разновидностей. И это пока только просто описание нейронов, без их соединений друг с другом. Учитывая количество нейронов и синапсов в мозге человека, от предсказаний насчёт их полной карты лучше воздержаться.