Учёные составили карту части мозга мыши, настолько сложную, что она похожа на галактику

Благодаря мыши, смотревшей отрывки из «Матрицы», учёные создали самую большую на сегодняшний день функциональную карту мозга — схему соединений 84 000 нейронов, передающих сигналы.

Используя фрагмент мозга мыши размером с маковое зерно, исследователи идентифицировали эти нейроны и проследили, как они взаимодействуют через ветвящиеся волокна через неожиданные 500 миллионов соединений, называемых синапсами.

Огромный набор данных, опубликованный в среду в журнале Nature, представляет собой шаг к разгадке тайны работы нашего мозга. Данные, собранные в 3D-реконструкции, раскрашенной для обозначения различных нейронных цепей, открыты для учёных по всему миру для дальнейших исследований.

«Это определённо вызывает чувство благоговения, как при взгляде на снимки галактик, — сказал Форрест Коллман из Института Аллена в Сиэтле. — Вы понимаете, насколько вы сложны. Мы смотрим на одну крошечную часть... мозга мыши и на красоту и сложность, которые можно увидеть в этих нейронах и сотнях миллионов связей между ними».

Наше мышление, чувства, зрение, речь и движение обусловлены нейронами в мозге — тем, как они активируются и посылают сигналы друг другу. Учёным давно известно, что эти сигналы движутся от одного нейрона по волокнам, называемым аксонами и дендритами, используя синапсы для перехода к следующему нейрону. Но меньше известно о сетях нейронов, выполняющих определённые задачи, и о том, как нарушения в этих связях могут играть роль в болезни Альцгеймера, аутизме или других расстройствах.

«Вы можете выдвинуть тысячу гипотез о том, как клетки мозга выполняют свою работу, но вы не сможете проверить эти гипотезы, если не знаете, возможно, самого фундаментального — как эти клетки связаны между собой», — сказал учёный Института Аллена Клэй Рид.

В рамках нового проекта глобальная команда из более чем 150 исследователей нанесла на карту нейронные связи, которые Коллман сравнивает с запутанными кусочками спагетти, извивающимися в части мозга мыши, отвечающей за зрение.

Первый шаг: показать мыши видеоролики из научно-фантастических фильмов, спорта, анимации и природы. Команда из Медицинского колледжа Бейлора сделала это, используя мышь с геном, заставляющим её нейроны светиться при активности. Исследователи использовали лазерный микроскоп, чтобы записать, как отдельные клетки в зрительной коре животного загорались при обработке мелькающих изображений.

Далее учёные из Института Аллена проанализировали этот небольшой фрагмент ткани мозга, используя специальный инструмент для его нарезки на более чем 25 000 слоёв, каждый из которых намного тоньше человеческого волоса. С помощью электронных микроскопов они сделали почти 100 миллионов высококачественных снимков этих срезов, выявили волокна, похожие на спагетти, и кропотливо собрали данные в 3D.

Наконец, учёные Принстонского университета использовали искусственный интеллект, чтобы отследить всю эту проводку и «раскрасить каждый отдельный провод в другой цвет, чтобы мы могли идентифицировать их по отдельности», — объяснил Коллман.

Они подсчитали, что эта микроскопическая проводка, если её выложить, будет иметь длину более 3 миль (5 километров). Важно, что сопоставление всей этой анатомии с активностью мозга мыши во время просмотра видео позволило исследователям проследить, как работает эта схема.

Исследователи из Принстона также создали цифровые 3D-копии данных для использования другими учёными.

Может ли такое картирование помочь в поиске методов лечения болезней мозга? Исследователи называют это фундаментальным шагом, подобно тому, как проект «Геном человека» привёл к созданию генных методов лечения. Следующая цель — картирование всего мозга мыши.

«Технологии, разработанные в рамках этого проекта, дадут нам первый реальный шанс выявить какой-то аномальный паттерн связности, лежащий в основе расстройства», — сказал ведущий исследователь проекта, нейробиолог и специалист по информатике из Принстона Себастьян Сын.

Работа «ознаменовала собой крупный скачок вперёд и предлагает бесценный ресурс для сообщества для будущих открытий», — написали нейробиологи из Гарварда Мариэла Петкова и Грегор Шухкнехт, не участвовавшие в проекте.