Об этом достижении учёные мечтали более полувека. Наконец-то огромная международная команда исследователей в мельчайших деталях отобразила каждый нейрон в мозге взрослого животного, у которого есть глаза и ноги.
Этот симпатичный мозг, с которым теперь может свободно ознакомиться любой желающий, размером не больше макового зёрнышка, но содержит 139 255 нейронов и 50 миллионов связей. Он принадлежит взрослой самке плодовой мушки (Drosophila melanogaster).
Это может показаться маленькой победой по сравнению с человеческим мозгом, который содержит 80 миллиардов нейронов и 100 триллионов связей, но это огромный скачок по сравнению с тем, с чего начинали нейробиологи в 1960-х годах.
«Это большое достижение, — говорит нейробиолог Мала Мерти из Принстонского университета, которая возглавляла группу. — Не существует другого полного коннектома мозга взрослого животного такой сложности». Единственная карта, которая приближается к этому, — это 3D-диаграмма полушария мозга взрослой мухи, но она включает всего около 20 000 нейронов.
Биолог из Университета Эмори Анита Девинени, не участвовавшая в нынешнем исследовании, в сопроводительном комментарии в журнале Nature предсказывает, что новая карта «преобразит нейронауку о дрозофилах».
Учёные впервые начали составлять карты мозга животных примерно полвека назад, и эти первые попытки были сосредоточены на очень простом существе — безглазом и безногом черве Caenorhabditis elegans. В 2002 году учёные, создавшие эту частичную карту мозга, состоящую всего из 302 нейронов, получили Нобелевскую премию. Сегодня на то же самое, на что раньше уходило более 12 лет, требуется меньше месяца.
В 2023 году исследователи составили карту мозга гораздо большего размера, включив в неё все 3016 нейронов личинки плодовой мушки. Однако это животное тоже не могло ходить и видеть.
Взрослая плодовая мушка — это следующий большой шаг. Её мозговые сети, лежащие в основе зрения и сложных движений при ходьбе, больше похожи на человеческие, и теперь их можно изучить более детально, чем когда-либо прежде.
«Мухи умеют делать всевозможные сложные вещи: ходить, летать, ориентироваться, а самцы ещё и поют самкам, — объясняет молекулярный биолог Грегори Джефферис из Кембриджского университета, который помогал руководить исследованием. — Схемы связей мозга — это первый шаг к пониманию всего, что нас интересует, — как мы управляем своим движением, отвечаем на телефонные звонки или узнаем друга».
В команду, которая составила эту диаграмму, вошли исследователи из 122 институтов, основной вклад внесли Принстонский университет, Кембриджский университет и Вермонтский университет.
Для создания карты потребовалось более 7000 срезов мозга самки плодовой мушки и 21 миллион изображений, что позволило бы заполнить данными 100 обычных ноутбуков. Программа искусственного интеллекта, созданная в Принстонском университете, сыграла важную роль в прочёсывании данных.
В настоящее время результаты работы собраны не менее чем в 9 связанных между собой исследованиях с пересекающимися группами авторов. В одной из работ аннотирована вся карта. Чтобы исправить компьютерные ошибки, был создан краудсорсинговый проект, в рамках которого исследователи и добровольцы по всему миру могли вычитывать названия и функции, присвоенные нейронам. Чтобы внести все 3 миллиона ручных правок, одному человеку потребовалось бы 33 года работы с полной занятостью.
Из всех 8 453 известных и названных типов клеток на диаграмме, охватывающих 96 % всех нейронов, более 4 500 являются новыми для науки.
«Как вы не хотите ехать в новое место без Google Maps, так и вы не хотите исследовать мозг без карты, — объясняет нейробиолог Свен Доркенвальд, выпускник Принстона 2023 года. — Мы создали атлас мозга и добавили аннотации ко всем предприятиям, зданиям, названиям улиц. Благодаря этому исследователи теперь могут вдумчиво ориентироваться в мозге, пытаясь его понять».
Например, в одной из сопроводительных статей учёные использовали аннотированную карту для запуска нейронов в компьютерном мозге плодовой мушки, заставляя её выдвигать хоботок для сбора сахара, как это происходит в реальной мухе, когда активируются эти нейроны.
На сегодняшний день исследователям, изучающим обыкновенную плодовую мушку, присуждено 6 Нобелевских премий. Седьмая может оказаться на подходе.
