Автор фото, MRC/Nature
Мухи без труда передвигаются как по земле, так и по воздуху, а их самцы даже умеют исполнять в брачный сезон своим подругам «мушиные серенады» — и все это благодаря крошечному мозгу, уступающему по размерам булавочной головке.
Это перевод материала, опубликованного на сайте BBC News. Оригинал на английском языке можно прочитать здесь.
Ученым впервые удалось составить подробнейшую трехмерную модель мушиного мозга, состоящего примерно из 130 тыс. нейронов, для чего им потребовалось точно определить расположение и форму каждой клетки, а также проследить порядка 50 млн связей между ними.
Это самое глубокое и подробное исследование мозга взрослого животного из всех когда-либо проведенных.
Один из ведущих экспертов в области изучения мозга, не принимавший участия в этом проекте, заявил Би-би-си, что опубликованная работа — огромный скачок и в нашем понимании устройства мозга человека.
Профессор лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям (LMB) Кембриджского университета Грегори Джеффрис полагает, что результаты работы помогут пролить свет на тайны «механизма мышления».
По его словам, на сегодняшний день у ученых нет сколько-нибудь убедительного ответа на вопрос о том, как именно сложная нейронная структура в голове каждого человека позволяет ему взаимодействовать с другими людьми и окружающим миром в целом.
«Как устроены эти связи? — задается вопросом профессор Джеффрис. — Как проходит через эту систему нервный сигнал, позволяя нам обрабатывать информацию: мне — узнавать ваше лицо; вам — слышать мой голос, и вновь превращать услышанное в электрические сигналы?»
«Моделирование мушиного мозга — это важнейшая работа, которая поможет нам понять, как работает и наш собственный мозг», — уверен он.
В мозгу человека нервных клеток примерно в миллион раз больше, чем у изучаемой плодовой мушки (дрозофилы). Так как же схема устройства мозга насекомого может помочь ученым понять механизмы нашего мышления?
Изображения, опубликованные в журнале Nature, демонстрируют нейронную конструкцию, красота которой не уступает сложности ее архитектуры.
В ее устройстве кроется ответ на главный вопрос: как столь крошечный орган оказывается способными выполнять такое огромное количество сложнейших вычислительных задач.
О создании способного на что-либо подобное компьютера — размером с маковое зернышко — современная наука не может даже помыслить.
Профессор Мала Мерти, руководившая частью исследования, проводимого в Принстонском университете, утверждает, что составленная по итогам этой работы модель нейронных связей (ученые называют ее «коннектома») открывает нейробиологам новые, доселе невиданные горизонты.
«Модель поможет исследователям лучше понять устройство и принципы работы здорового мозга. И тогда в будущем — сравнивая с подобным образцом — можно будет сразу понять, когда что-то у нас в мозгу идет не так», — надеется она.
С этим мнением согласна и не принимавшая участия в исследовании Люсия Прието Годино, которая руководит группой по изучению мозга в лондонском Институте Фрэнсиса Крика.
«Ранее ученые уже составляли полные коннектомы обычного дождевого червя, у которого порядка 300 нейронов, и опарыша, у которого их три тысячи, но полная коннектома особи, в мозгу которой 130 тысяч нейронов — это просто научный подвиг, который открывает ученым путь к составлению и коннектомы более крупного мозга. Например, мозга мыши, а возможно — через несколько десятков лет, — и нашего собственного».
Исследователи смогли выделить конкретные нейронные маршруты, используемые для выполнения тех или иных функций организма, и показать, как они связаны между собой.
Например, клетки, ответственные за движение, находятся у основания мозга, в то время как нейроны, отвечающие за зрительное восприятие, расположены сбоку.
В последнем случае задействовано гораздо больше клеток, поскольку обработка визуального изображения требует гораздо большей вычислительной мощности.
О существовании подобных отдельных маршрутов ученые знали и раньше, но конкретные связи между ними были установлены впервые.
Почему муху так сложно поймать?
Опубликованные модели нейронных связей уже используются другими исследователями — например, для того, чтобы понять, почему муху так трудно прихлопнуть или даже поймать.
Зрительные нейроны фиксируют, в каком направлении летит свернутая газета, и мгновенно передают сигнал к лапкам мухи.
Причем не просто сигнал к прыжку, а именно к прыжку в сторону от источника угрозы. Так что прыгают мухи, можно сказать, даже не задумываясь о том, куда именно — буквально быстрее скорости мысли.
Этот вывод может объяснить, почему нам так сложно по ним попасть.
Автор фото, Gwyndaf Hughes/BBC News
Для создания подробнейшей модели мушиный мозг аккуратно нарезали на 7000 слоев микроскопическим скальпелем, отдельно сфотографировав каждый слой и переведя фотографии в цифровой формат.
После этого команда ученых из Принстона при помощи искусственного интеллекта извлекла из сделанных фотографий информацию о форме каждой конкретной клетки и связях между ними.
Впрочем, искусственный интеллект помог лишь отчасти, сделав в ходе работы более трех миллионов ошибок, которые исследователям все равно пришлось исправлять вручную.
Уже этот результат можно было бы считать выдающимся техническим достижением, однако это была лишь первая половина работы.
По словам сотрудника Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям, доктора Филиппа Шлегеля, сама по себе составленная схема не имеет особого смысла, если впридачу к ней не идет описание того, за что именно отвечает та или иная конкретная нейронная цепь.
«Это можно сравнить с картами Google Maps, — говорит он, — только карты эти — для мозга. Необработанная схема нейронных связей дает представление о том, какие структуры соответствуют отдельным улицам и расположенным на них зданиям».
«Но вот описать эти нейроны — это все равно что нанести на нашу карту названия улиц и городов, время работы предприятий, номера их телефонов, отзывы и т. д., — объясняет Шлегель. — Чтобы карта была действительно полезной, необходимо знать и то, и другое».
Автор фото, BBC News
Опубликованная коннектома мушиного мозга открыта для изучения любым ученым, которым она может понадобиться для проведения собственных исследований. Доктор Шлегель уверен, что уже в ближайшую пару лет с ее помощью нейробиологи смогут совершить массу важнейших открытий.
Человеческий мозг куда больше мушиного, и пока у нас нет технологий, чтобы собрать всю информацию о его подробном устройстве.
Однако исследователи полагают, что лет через 30 удастся составить и аналогичную коннектому человека. А схема мушиного мозга, по их словам, закладывает основу более глубокого понимания того, как работает наш собственный разум.
Исследовательская работа была выполнена совместными усилиями целого ряда научных коллективов со всего мира, объединенных в большую международную группу FlyWire Consortium.