Для зрительных нейронов сделали полную карту
…правда, пока только в одном кубическом миллиметре мышиного мозга.
Нейроны передают сигналы по длинным и разветвлённым отросткам, которые образуют друг с другом контакты-синапсы. Если мы хотим построить полную клеточную карту мозга, то должны «прорисовать» в ней не только сами клетки с их отростками, но и все их контакты. Для человеческого мозга с более чем 80 млрд нейронов и 100 трлн синапсов это пока что неподъёмная задача. Если говорить о мозге в целом, самое крупное достижение тут – мозг дрозофилы: мы писали в прошлом году, что для него удалось построить атлас со 140 тысячью нейронов и 54,5 миллионами синапсов.
У млекопитающих пока пытаются картировать только очень и очень небольшие объёмы. Так, в прошлом году в Science вышла статья с описанием 1 мм3, вырезанного из человеческого мозга во время операции. Его трёхмерная карта включала в себя около 57 тыс. клеток и 150 млн синапсов, однако это всё равно была неполная детализация, с недостаточно высоким разрешением. Сейчас в журналах Nature и Nature Methods вышло восемь статей с описанием 1 мм3 мозга мыши. Этот кусочек взяли из зрительной коры, и его карта включает в себя более 200 тыс. клеток (из которых около 82 тыс. приходится на нейроны) и более 500 млн синапсов; общая длина отростков составляет более 4 км. Делать карту начали ещё с живой мышью: мышь бежала по беговой дорожке и смотрела на разные видеоролики. Видеоролики длились по десять секунд, общая продолжительность киносеанса составляла два часа (это действительно в каком-то смысле был киносеанс – среди роликов были куски из разных фильмов, от «Матрицы» до экспериментальных документальных лент). Пока мышь смотрела видео, исследователи записывали активность корковых нейронов, занимающихся первичной обработкой зрительных сигналов. Активность нервных клеток можно оценить по потокам ионов кальция, а современные методы позволяют наблюдать эти потоки прямо в живом мозге.
Затем кусочек зрительной коры размером, как было сказано, 1 мм3 нарезали примерно на 28 тыс. ломтиков, чтобы просканировать их в электронном микроскопе. Получившиеся картинки нужно было состыковать вместе, прослеживая путь и принадлежность каждого отростка и каждого синапса. Эту чисто физическую карту объединяли с данными, полученными при наблюдении за активными нейронами. Естественно, здесь было не обойтись без искусственного интеллекта, но, как и в случае с дрозофилой, возможные ошибки ИИ нужно было исправить вручную – по большей части эта проверка уже сделана, но работа ещё идёт. Попутно удалось ещё раз подтвердить довольно старую теорию, что нейроны, реагирующие на одинаковый стимул, будут теснее взаимодействовать между собой. То есть, грубо говоря, если несколько зрительных нейронов реагируют на одну и ту же форму или на одно и то же направление движения, то между ними будет больше сильных синаптических контактов; причём нейронам даже не обязательно находиться рядом, их отростки могут тянуться друг к другу издалека. Это правило организации нейронных сетей раньше проверяли только на небольшом числе нейронов и синапсов; сейчас оно подтвердилось в намного большем масштабе.
В работе было задействовано более 150 исследователей из 22 научных центров. Построение карты кубического миллиметра нервной ткани, составляющей 0,2% мозга мыши, заняло девять лет; объём данных, который в ней заключён, составляет 1,6 петабайт. С другой стороны, даже такая карта совсем недавно казалась невозможной. Может быть, в ближайшем будущем подобная работа станет намного быстрее и дешевле.
