Команда австралийских и американских исследователей из Алленского института, Принстонского университета и Медицинского колледжа Бейлора опубликовали трёхмерный коннектом мозга мыши на полмиллиарда соединений и десятки тысяч нейронов. Работа над проектом заняла у учёных пять лет. Это вторая за этот год крупная визуализация участка мозга млекопитающего.
Проект по созданию коннектома назвали Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS). Его профинансировало исследовательское агентство США Advanced Research Projects Activity (IARPA). Основной целью MICrONS стала визуализация активности отдельных частей нейронов и нейронной сети, направленная на совершенствование методов машинного обучения. Также эти данные планируют применить в сфере нейробиологических и биомедицинских исследований.
Для проекта учёные взяли один кусочек мозга мыши из зрительной коры размером 1,4 мм х 0.87 мм х 0.84 мм. Он в 400 раз больше образца, взятого для прошлогодней визуализации. Исследователи Медицинского колледжа Бейлора провели двухфотонную кальциевую визуализацию образца in vivo и отправили его в Алленский институт. Там учёные обработали его, нарезали на 27 тысяч тонких пластин и визуализировали методами микрокомпьютерной томографии, двухфотонной микроскопии и электронной микроскопии. В общей сложности за пол года учёные получили 150 миллионов изображений.
Обработкой и сегментацией изображений занялись специалисты Принстонского университета. Они использовали методы машинного обучения для сегментации и детальной обработки каждого компонента на изображении. В конце учёные провели обширную корректуру подмножества нейронов и аннотировали различные структурные особенности.
Всего программа определила около 200 тысяч клеток, 75 тысяч пирамидальных нейронов и 523 миллиона связей между ними. Многие клетки, по словам учёных, до этого никогда не были визуализированы в полном размере.
Результаты исследования учёные выложили в открытый доступ в облачных сервисах Brain Observatory Storage Service & Database (BossDB) и Amazon Web Services (AWS). Google предоставила исследователям поддержку систем хранения и вычислений через Google Cloud. Кроме того, компания дала им доступ к инструменту визуализации с открытым исходным кодом Neuroglancer через Google Research.
Авторы проекта утверждают, что это самый большой мультимодальный набор данных коннектомов, выпущенный на сегодняшний день. Кроме того, это первая реконструкция нейронной цепи млекопитающих в нескольких функциональных областях мозга, сделанная при помощи электронной микроскопии.
Учёные опубликовали препринт исследования на сайте bioRxiv в статье «Functional connectomics spanning multiple areas of mouse visual cortex» DOI: doi.org/10.1101/2021.07.28.454025. Визуализации клеток мозга и связей между ними с общими объяснениями опубликованы на сайте проекта. Кроме того, инструмент авторов позволяет самостоятельно «погулять» по изучаемому участку мозга мыши.
За последние несколько лет вышло несколько больших визуализаций. В 2019 году учёные сделали коннектом круглого червя Caenorhabditis elegans, состоящий из 386 нейронов для самца и 302 нейронов для гермафродита. В прошлом году учёные Исследовательского кампуса Джанелия в Вирджинии совместно с Google AI опубликовали детализированную трёхмерную карту половины мозга плодовой мушки с 25 тысячами нейронов, образующих более 20 миллионов связей.
В июне этого года Исследователи Гарвардского университета совместно с Google AI создали трёхмерную карту одной миллионной части человеческого мозга, состоящую из 196 миллионов двумерных изображений. Объём обработанной информации составил 1,4 петабайта. Карта включила в себя визуализацию 130 миллионов синапсов.
