Картування крихітної частини мозку щура

Картування крихітної частини мозку щура, всього кубічний міліметр його кори головного мозку, відкриває незвіданий шлях до розуміння людського розуму. Міжнародний консорціум зумів з безпрецедентною деталізацією відобразити всю нейронну мережу та активацію клітин мозку в цьому невеликому фрагменті органу ссавця. Зібрана інформація, що є найбільшим картографуванням мозку на сьогоднішній день, допоможе розгадати складні нейронні мережі, що лежать в основі пізнання та поведінки.

Дослідження проведено в рамках проєкту MICrONS (Штучний інтелект з кіркових мереж), який вважається найскладнішим експериментом в нейронауці з коли-небудь здійснених. Перші результати опубліковані у журналі Nature.

Проаналізована частина мозку розміром не більше піщинки, але містить близько 200 000 клітин, 500 мільйонів синапсів — з'єднань між нейронами — і більше чотирьох кілометрів нейронних проводів. «Всередині цієї крихітної частинки знаходиться ціла архітектура, як вишуканий ліс. Вона містить всі типи правил з'єднань, які ми знали з різних областей нейронауки, і всередині самої реконструкції ми можемо перевірити старі теорії та сподіватися знайти нові речі, яких ніхто раніше не бачив», — зазначає Клей Рід, нейробіолог з Інституту Аллена в Сіетлі (США) та головний дослідник цього проєкту.

Кожна ідея, кожен спогад, кожна дія, яку людина виконує щодня, виникає в результаті активності нейронів у мозку. Розуміння того, як працюють, функціонують та взаємодіють усі ці нейронні мережі, як функція кожної з них вписується в цю мозкову архітектуру, є одним з найбільших викликів, що стоять перед науковою спільнотою. «Наш інтелект і наш розум є вираженням фізичної структури нашого мозку. Розуміючи цю структуру, ми можемо краще окреслити та сформулювати гіпотези про те, як реалізується інтелект у нашому мозку», — міркує у відповіді електронною поштою Нуну да Кошта, науковець з Інституту Аллена та співавтор цього дослідження.

Раніше було успішно картографовано мозок інших тварин, таких як личинка плодової мушки (трохи більше 3000 нейронів і близько 550 000 синапсів) або дорослий мозок цієї ж тварини (140 000 нейронів і 50 мільйонів синапсів). Але дослідження з такою деталізацією цієї крихітної частини мозку щура (що становить ще меншу частину людського мозку) перевершує, за словами вчених, усі відомі технологічні межі в галузі конектому, яка картографує та описує нейронні зв'язки. Єдине, що можна порівняти, нагадують у коментарі двоє дослідників з Гарвардського університету, це те, що було досягнуто минулого року при картографуванні кубічного міліметра мозку пацієнта з епілепсією: там було 57 000 клітин і 150 мільйонів синапсів.

«Разом ці два проєкти [картування частини мозку щура та пацієнта з епілепсією] визначають поточну технологічну межу масштабованої конектоміки ссавців», — зазначають вони.

Кошта розповідає, що коли вони розпочали своє дослідження, отримання зображень кубічного міліметра тканини мозку з таким рівнем деталізації «набагато перевершувало» те, що було досягнуто на той час. Експеримент був, каже він, «надзвичайно амбітним». «Масштаб і роздільна здатність цього набору даних виходять далеко за межі нейронів. Він включає всі кровоносні судини, ненейронні клітини, такі як глія, і навіть органели всередині окремих клітин», — додає він.

Він наводить візуальний приклад того, що було досягнуто при профілюванні всіх цих нейронних мереж у частині мозку щура: «Уявіть собі свого роду Google Maps для мозку: він показуватиме не тільки головні магістралі, але й кожну вулицю, кожен будинок, кожну кімнату в кожному будинку і навіть кожні двері та вікно. Подібно до того, як люди використовують Google Maps, щоб визначити найкращий маршрут від точки А до точки Б або навіть щоб перевірити, чи існує маршрут, цей тип детальної карти мозку дозволяє вченим бачити, чи з’єднані два нейрони, і точно де ці з’єднання відбуваються».

Вивчений об’єм далекий від розмірів і складності людського мозку, але дані, отримані з цього картографування, є більш екстрапольованими, ніж може здатися. Вибір аналізу конкретної області, наприклад, кори головного мозку, не є випадковим, пояснює да Кошта: «Ця область мозку, можливо, є найважливішою структурою, яка визначає нас як людей, значною мірою завдяки її значному розширенню в нашому мозку. Вивчаючи, як кора головного мозку функціонує в мозку щура, ми можемо генерувати кращі ідеї та гіпотези про те, як функціонує наш власний мозок».

У супровідному коментарі двоє дослідників з Гарварду розвивають цю тему: ця область мозку вважається «штаб-квартирою вищого пізнання», ключовою територією для сенсорного сприйняття, обробки мови або прийняття рішень. Це, здавалося б, дуже різні функції, але можливі завдяки своєрідному шаблону, який міститься, з деякими змінами, у всіх коркових областях і у всіх ссавців: «Це робить вивчення кори головного мозку певним чином подібним до розуміння принципів роботи двигуна внутрішнього згоряння, спостерігаючи за багатьма автомобілями: існують різні моделі двигунів, але застосовується та сама фундаментальна механіка. Щоб зрозуміти двигун, корисно не тільки мати опис усіх його частин, але й розуміти, як вони працюють разом», — пояснюють вчені з Гарварду.

Проєкт був великою командною роботою. Спочатку вчені з Медичної школи Бейлора (Техас) використовували спеціалізовані мікроскопи для запису активності мозку цього кубічного міліметра зорової кори щура, коли тварина дивилася різні фільми та відео з YouTube. Потім дослідники з Інституту Аллена взяли ту саму частину мозку та розділили її на понад 24 000 шарів, кожен з яких у тисячу разів тонший за волосину, та використовували електронні мікроскопи для отримання зображень високої роздільної здатності кожного зрізу. Нарешті, інша група з Прінстонського університету використала штучний інтелект для реконструкції кожної клітини та всіх з'єднань у віртуальному зображенні, щоб створити цю діаграму проводки та функціональну карту мозку найбільшого розміру на даний момент.

Над цим проєктом працювали понад 150 нейробіологів. Робота була титанічною. «На розрізання понад 20 000 секцій, необхідних для набору даних, пішло 12 днів і ночей поспіль, при цьому наша команда працювала позмінно, щоб переконатися, що жодна послідовна секція не буде втрачена», — пояснює да Кошта. Була зібрана величезна кількість інформації, 1,6 петабайт даних, що еквівалентно перегляду відео у форматі HD безперервно протягом 22 років.

Але робота вже почала приносити свої плоди. Перші дослідження виявили нові типи клітин та інноваційні організаційні та функціональні принципи, пояснює Інститут Аллена. Наприклад, виділяється відкриття нового принципу гальмування в мозку.

…

Для Рафаеля Юсте, професора біологічних наук і директора Центру нейротехнологій Колумбійського університету (Нью-Йорк) та ініціатора ініціативи BRAIN, це дослідження, в якому він не брав участі, є «тур де форс з величезною кількістю результатів, як закласти одну з багатьох цеглин у величезну будівлю, щоб зрозуміти мозок». «Варто пам’ятати, що більше року тому було опубліковано ще одну порцію вражаючих статей, які відображають типи клітин мозку, тобто нейрони, які створюють усі ці зв’язки. Це ще один з найвражаючих результатів, який виник в рамках проєкту BRAIN США [нинішнє дослідження також підтримується ініціативою BRAIN]. Зараз великий виклик полягає в тому, щоб об’єднати ці два стовбури нової науки; іншими словами, зрозуміти, які зв’язки виникають з якого типу нейронів», — зазначає науковець в інтерв’ю порталу Science Media Center (SMC) Іспанія.

Зі свого боку, Хуан Лерма, професор досліджень в Інституті нейронаук CSIC-UMH, вважає, що ця робота «закладає багато основ багатьох принципів функціональної організації, які, хоча й прийняті, не були доведені та представляли прогалини в знаннях нервової системи». «Ці висновки є кроком уперед, якого довго чекали і який є лише вершиною айсберга того, що має настати у розумінні функціонування мозку», — також наголошує він на SMC.