Картирование крошечного участка мозга мыши открывает неизведанные пути к пониманию человеческого интеллекта

МАДРИД - Картирование крошечного участка мозга мыши, едва ли кубического миллиметра коры головного мозга, оказалось достаточным для того, чтобы встать на неизведанный ранее путь к пониманию человеческого разума. Международному консорциуму удалось составить беспрецедентную карту нейронной проводки и того, как активируются клетки мозга в этом крошечном кусочке органа млекопитающих. Полученная информация - самое крупное на сегодняшний день картирование мозга - поможет разгадать сложные нейронные сети, лежащие в основе познания и поведения. Исследование является частью проекта Microns (Artificial Intelligence from Cortical Networks), который считается самым сложным экспериментом в области нейронаук, когда-либо предпринимавшимся. Первые результаты исследования были опубликованы в среду в журнале Nature. Крошечная частица мозга не больше песчинки, но она содержит около 200 000 клеток, 500 миллионов синапсов - связей между нейронами - и более четырех километров нейронных проводов. «Внутри этой крошечной частицы находится целая архитектура, подобная изысканному лесу. В ней содержатся всевозможные правила связи, известные нам из разных областей нейронауки, и в рамках самой реконструкции мы можем проверить старые теории и надеяться найти новые, которые никто не видел раньше», - говорит Клэй Рид, нейробиолог из Института Аллена по изучению мозга в Сиэтле (США) и главный исследователь проекта. »Каждая идея, каждое воспоминание, каждое действие, которое вы совершаете в повседневной жизни, берет начало в активности нейронов в мозге. Понимание того, как работает этот запутанный и загадочный центр операций, в котором хранится человеческая сущность, как все эти сети нейронов работают и связаны друг с другом, как функция каждого из них вписывается в архитектуру мозга, является одной из величайших задач, стоящих перед научным сообществом». «Наш интеллект и наш разум являются выражением физической структуры нашего мозга. Понимая эту структуру, мы можем лучше очертить и сформировать гипотезы о том, как интеллект реализуется в нашем мозге», - размышляет Нуно да Коста, ученый из Института Аллена и соавтор исследования, в своем ответе по электронной почте. »Проводка мозга уже была успешно отображена в более простых животных моделях, таких как личинка плодовой мушки (чуть более 3000 нейронов и около 550 000 синапсов) или мозг взрослой плодовой мушки (140 000 нейронов и 50 миллионов синапсов). Но столь детальное изучение этой крошечной части мозга мыши - а это еще меньшая часть человеческого мозга - превосходит, по словам ученых, все известные технологические пределы в области коннектомики - дисциплины, которая занимается составлением карт и описанием нейронных связей. Пожалуй, единственное, что можно сравнить с этим, говорят два исследователя из Гарвардского университета в сопроводительном комментарии, это то, что было достигнуто в прошлом году при картировании одного кубического миллиметра мозга пациента с эпилепсией: там было 57 000 клеток и 150 миллионов синапсов. «Вместе эти два проекта [картирование срезов мозга мыши и картирование пациента с эпилепсией] определяют текущий технологический рубеж крупномасштабной коннектомики млекопитающих«, - пишут они. „Коста говорит, что, когда они начинали свое исследование, визуализация кубического миллиметра ткани мозга на таком уровне детализации “намного превосходила» то, что было достигнуто до сих пор. Эксперимент был, по его словам, «чрезвычайно амбициозным». «Масштаб и разрешение этого набора данных выходят далеко за пределы нейронов. Он включает в себя все кровеносные сосуды, ненейронные клетки, такие как глия, и даже органеллы внутри отдельных клеток, - добавляет он, - и дает наглядный пример того, что было достигнуто путем вычерчивания всех этих нейронных сетей в срезе мозга мыши: «Представьте себе своего рода Google Maps для мозга». На ней будут изображены не только основные магистрали, но и каждая улица, каждый дом, каждая комната в доме и даже каждая дверь и окно. Подобно тому, как люди используют Google Maps, чтобы определить оптимальный маршрут из точки А в точку Б или даже проверить, существует ли маршрут, такая подробная карта мозга позволяет ученым увидеть, связаны ли два нейрона и где именно эти связи возникают. Исследуемый объем далек от размера и сложности человеческого мозга, но данные, полученные с помощью такого картирования, более экстраполируемы, чем может показаться. Выбор конкретной области, например, коры головного мозга, не является тривиальным, объясняет да Коста: «Эта область мозга, возможно, является самой важной структурой, определяющей нас как людей, в основном из-за ее значительного расширения в нашем мозге. Изучая, как работает кора головного мозга в мозге мыши, мы можем генерировать лучшие идеи и гипотезы о том, как работает наш собственный мозг». В сопроводительном комментарии двое гарвардских исследователей уточняют: эта область мозга считается „местом высшего познания“, ключевой территорией для сенсорного восприятия, обработки языка или принятия решений. Это, казалось бы, совершенно разные функции, но их выполнение возможно благодаря своеобразной схеме, которая с некоторыми изменениями встречается во всех областях коры головного мозга и у всех млекопитающих. «Это делает изучение коры головного мозга в некотором смысле похожим на понимание принципов работы двигателя внутреннего сгорания на примере многих автомобилей: существуют разные модели двигателей, но действует одна и та же фундаментальная механика. Чтобы понять двигатель, полезно не только иметь описание всех его частей, но и понимать, как они работают вместе», - поясняют гарвардские ученые. »Проект был большой командной работой. Сначала ученые из Медицинского колледжа Бэйлора в Техасе использовали специализированные микроскопы для записи активности мозга в кубическом миллиметре зрительной коры мыши, пока животное смотрело различные фильмы и видеоролики на YouTube. Затем исследователи из Института Аллена взяли тот же участок мозга и разделили его на более чем 24 000 слоев, каждый из которых более чем в 1000 раз тоньше волоса, и с помощью электронных микроскопов получили изображения высокого разрешения каждого среза. Наконец, другая группа из Принстонского университета использовала искусственный интеллект для реконструкции каждой клетки и всех связей в виртуальном изображении, чтобы создать самую большую электрическую схему и функциональную карту мозга на сегодняшний день. Над проектом работали более 150 нейробиологов. Задача была титанической. «Вырезание более 20 000 секций, необходимых для набора данных, заняло 12 дней и ночей подряд, причем наша команда работала посменно, чтобы не потерять ни одной последовательной секции», - говорит да Коста. Был собран огромный объем информации - 1,6 петабайта данных, что эквивалентно непрерывному просмотру HD-видео в течение 22 лет. Первые исследования выявили новые типы клеток и инновационные организационные и функциональные принципы, - объясняют в Институте Аллена. Например, открытие нового принципа торможения в мозге. Так, если раньше считалось, что тормозные клетки (те, что подавляют активность нейронов) только гасят действие других клеток, то исследователи Microns обнаружили, что уровень связи на самом деле гораздо сложнее: тормозные клетки действуют не случайно, а очень избирательно в отношении возбуждающих клеток, на которые они нацелены, и сотрудничают в сети: одни работают вместе, подавляя множество возбуждающих клеток, другие - более точно и нацелены на один тип. «И эти открытия - только начало. Да Коста говорит: «Болезни мозга в конечном итоге являются результатом изменений в структуре мозга, поэтому понимание структуры мозга имеет фундаментальное значение в долгосрочной перспективе. В среднесрочной и долгосрочной перспективе детальное картирование связей между тормозными клетками в сочетании с генетическим описанием этих же типов клеток может иметь решающее значение, если будет установлено, что какие-либо из этих клеток вовлечены в конкретное заболевание. Эти знания могут, например, способствовать разработке лекарств, направленных на конкретные участки нейронной сети, или помочь объяснить действие существующих лекарств, определив типы клеток, на которые они влияют. «Для Рафаэля Юсте, профессора биологических наук и директора Центра нейротехнологий Колумбийского университета (Нью-Йорк) и движущей силы „Инициативы мозга“, это исследование, в котором он не участвовал, „является настоящим событием с богатыми результатами, как будто он положил один из многих кирпичиков в огромное здание для понимания работы мозга“. «Стоит вспомнить, что более года назад была опубликована еще одна серия впечатляющих работ, в которых были отображены типы клеток в мозге, которые являются нейронами, генерирующими все эти связи. Это еще один из самых впечатляющих результатов, полученных в рамках проекта US Brain [нынешнее исследование также поддерживается Brain Initiative]. Теперь большая задача состоит в том, чтобы объединить эти два ствола новой науки, то есть понять, какие связи возникают из каких типов нейронов», - сказал ученый в интервью Science Media Center (SMC) Spain. Хуан Лерма, профессор-исследователь из Института нейронаук CSIC-UMH, считает, что эта работа „закладывает основы нескольких принципов функциональной организации, которые, хотя и предполагались, но не были продемонстрированы и представляли собой пробелы в знаниях о нервной системе“. «Эти результаты - гигантский шаг вперед, которого давно ждали и который является лишь вершиной айсберга того, что еще предстоит сделать в понимании функционирования мозга«, - также сказал он SMC.»©EL PAÍS, SL »