Ученые представили первую полную карту мозга насекомого

На создание всеобъемлющей карты, называемой коннектомом, ушло 12 лет кропотливой работы, и она показывает расположение всех 3016 нейронов в мозгу личинки плодовой мушки (Drosophila melanogaster). Между этими клетками мозга находится 548 000 точек соединения, или синапсов, где клетки могут посылать друг другу химические сообщения, которые, в свою очередь, запускают электрические сигналы, которые проходят через проводку клеток. Работа опубликована в журнале Science.

Исследователи определили сети, через которые нейроны на одной стороне мозга отправляют данные на другую. Команда также классифицировала 93 различных типа нейронов, которые различаются по своей форме, предполагаемой функции и тому, как они соединяются с другими нейронами.

«Это первое исследование, в котором удалось полностью нанести на карту центральный мозг насекомого и, таким образом, охарактеризовать все синаптические пути всех нейронов», - поясняют ученые.

В 2020 году другая исследовательская группа опубликовала частичный коннектом взрослой плодовой мухи, который содержал 25 000 нейронов и 20 миллионов синапсов. Но у ученых есть полные коннектомы только для трех других организмов: нематоды, личинки асцидии и личинки морского червя. Каждый из этих коннектомов содержит несколько сотен нейронов и не имеет отдельных полушарий мозга, наблюдаемых у насекомых и млекопитающих, сказал соавтор исследования Джошуа Фогельштейн, директор и соучредитель лаборатории NeuroData в Университете Джонса Хопкинса. 

Более 80 человек помогли построить новый коннектом, пишет первый автор исследования Майкл Виндинг, научный сотрудник кафедры зоологии Кембриджского университета. Для этого ученые тонко нарезали мозг личинки мухи на 5000 срезов и сделали микроскопические изображения каждого среза. Они собрали эти изображения вместе, чтобы сформировать трехмерный объем. Затем команда изучила изображения, идентифицировала в них отдельные клетки и вручную отследила их провода.

Полученная карта удивила ученых несколькими способами. 

Например, ученые склонны думать о нейронах, отправляющих исходящие сообщения по длинным проводам, называемым аксонами, и получающих сообщения по более коротким разветвленным проводам, называемым дендритами. Однако из этого правила есть исключения, и оказывается, что соединения аксон-к-аксон, дендрит-дендрит и дендрит-аксон составляют около трети синапсов в мозгу личинки мухи, сказал Виндинг. 

По словам Фогельштейна, коннектом также оказался на удивление «неглубоким», что означает, что входящая сенсорная информация проходит через очень небольшое количество нейронов, прежде чем попасть к одному, участвующему в моторном контроле, который может направить муху на выполнение физического поведения. По словам Виндинга, для достижения такого уровня эффективности мозг имеет встроенные «ярлыки» между цепями, которые чем-то напоминают таковые в современных системах искусственного интеллекта.

По словам Шнайдер-Мизелл, одним из ограничений коннектома является то, что он не фиксирует, какие нейроны являются возбуждающими, то есть побуждают другие нейроны к срабатыванию, или тормозящими, то есть снижают вероятность срабатывания нейронов. По его словам, эта динамика влияет на то, как информация проходит через мозг. 

Тем не менее, коннектом открывает дверь для многих будущих достижений, таких как более энергоэффективные системы искусственного интеллекта и лучшее понимание того, как люди учатся, сказал Фогельштейн.

«Люди делают такие вещи, как принимают решения, учатся, ориентируются в окружающей среде, едят», — сказал он. «И мухи тоже. И есть веские основания полагать, что механизмы, которые есть у мух для реализации такого рода когнитивных функций, есть и у людей».