Рубеж коннектомики: составлена полная карта мозга самца плодовой мушки

Почему выбрали дрозофилу

Обычная плодовая мушка, Drosophila melanogaster, давно используется в биологии. Исследования этого организма помогли сделать открытия, отмеченные несколькими Нобелевскими премиями. Дрозофила удобна как модель для генетики благодаря предсказуемому поведению и короткому жизненному циклу. Теперь её рассматривают и как модель для нейронаук.

Хотя мозг мушки сильно отличается от человеческого, нервные системы разных видов имеют общие черты. Полностью картировать мозг человека с его 86 миллиардами нейронов пока невозможно, поэтому учёные используют ИИ для изучения более компактных организмов. Такие карты помогают понять, как животные воспринимают окружающий мир, реагируют на стимулы и как в будущем можно будет восстанавливать повреждённые нервные пути.

Что вошло в карту

Проект возглавил исследовательский кампус HHMI Janelia. Google Research и партнёры опубликовали схему связей мозга и центральной нервной системы самца дрозофилы в работе «Половой диморфизм в полной карте связей центральной нервной системы самца Drosophila». Исследование стало результатом десятилетнего сотрудничества, в котором вычислительные методы и ИИ использовали для создания карт мозга на уровне отдельных клеток.

В карту вошёл также брюшной нервный ствол — структура, сопоставимая со спинным мозгом. Поэтому исследование описывает уже не только сам мозг, но и то, как он управляет телом. Специалисты HHMI Janelia вручную проверили и разметили полученную карту. Просматривать, исследовать и скачивать её можно в Neuroglancer — открытом инструменте Google для визуализации крупных многомерных наборов данных.

Две детализированные цветовые трёхмерные визуализации нервных путей и нервного тяжа плодовой мушки

Источник: research.google

Новый коннектом объединяет:

Благодаря этому исследователи могут связать слуховые, зрительные и обонятельные сигналы с двигательными реакциями дрозофилы.

Сравнение самцов и самок

Новая карта дополняет ранее созданную карту мозга самки, а также недавно опубликованную полную карту её мозга и нервного ствола. Наличие данных по самцам и самкам позволяет сравнивать участки, где нейроны отличаются, и изучать биологические механизмы ухаживания и агрессии у дрозофил.

В областях, которые у обоих полов устроены сходным образом, две полные карты помогут исследовать различия между отдельными особями.

Схема нервной системы самца плодовой мушки с отображением центрального мозга, зрительных долей и VNC

Источник: research.google

Один из примеров — нейрон, присутствующий и у самца, и у ранее картированной самки, но имеющий разное строение. У самца обнаружились два дополнительных отростка. ИИ помогает точно восстановить форму таких нейронов в трёхмерном пространстве и найти структурные различия.

Сравнение диморфного нервного пути AOTU008, показывающее различия между самцами и самками плодовой мушки

Источник: research.google

Как строят коннектом

Коннектомика начинается с того, что мозг разделяют на миллионы тонких срезов, фотографируют каждый из них, а затем с помощью компьютеров и ИИ собирают изображения в единую трёхмерную реконструкцию. Исследователи Google создают системы, которые превращают плоские снимки электронного микроскопа в объёмные модели нейронов.

В инструментах Google используются, в частности, сети для заполнения областей. Они начинают с одного пикселя и определяют все остальные пиксели, относящиеся к тому же объекту. В 2019 году команда Connectomics опубликовала полностью автоматическую реконструкцию мозга самки дрозофилы. В 2020 году Google и партнёры выпустили проверенную людьми карту половины мозга самки: в ней было 25 000 нейронов и 21 миллион связей. На тот момент это был рекорд. Параллельно команда уже работала над полной проверенной картой мозга самца, которая теперь завершена.

Методы продолжают улучшаться. В одном из недавних проектов в обучающие данные добавили синтетические нейроны. Это повысило скорость и точность системы PATHFINDER, которую авторы называют своей передовой системой реконструкции. Исследователи также разрабатывают способы размечать и описывать отдельные типы нейронов.

Сейчас на проверку и описание форм нейронов в мозге дрозофилы уходят годы ручной работы. Если сократить объём исправлений людьми, научные группы смогут браться за более крупные проекты по картированию мозга в рамках доступных бюджетов и сроков.

Переход к позвоночным

Коннектомика уже распространяется на позвоночных — животных со спинным мозгом. Их анатомия, эволюция и функции ближе к человеческим.

В исследовании под руководством Колумбийского университета, опубликованном на этой неделе в Nature, команда Google помогла картировать часть заднего мозга рыбы-слоноса. Этот участок участвует в обработке сигналов. Работа «Анализ карты связей мозжечкоподобной цепи для сенсорного предсказания» впервые показала, как статическую карту связей можно объединить с другими данными для изучения нейропластичности и обучения. В результате авторы получили наиболее полное на тот момент механистическое описание обучения в мозге позвоночного.

Личинки рыбок данио — одни из немногих позвоночных, чей мозг сегодня можно картировать целиком. На личиночной стадии они прозрачны, поэтому во время экспериментов можно одновременно измерять активность нейронов. Такие данные вошли в набор ZAPBench.

В готовящейся работе Google и Гарварда под названием «Ресурс карты связей для составления каталога нейронов и анализа цепей мозга личинки данио» представлен первый набор данных по всему мозгу позвоночного, включающий структуру нейронов и их молекулярные типы. Команда также выпустила предварительную версию набора, где активность и структура нейронов собраны для одной и той же личинки данио. Ресурс открыт для научного сообщества.

Многоцветная трёхмерная карта взаимосвязанных нейронов внутри полупрозрачного серого контура головы плодовой мушки

Источник: research.google

Что изучают с помощью карты

Коннектом самца дрозофилы станет базовым ресурсом для экспериментальной нейронауки и дальнейших работ в биологии, фармацевтике и медицине. В день публикации вышли три сопутствующие работы, в которых карту уже применили к исследованию:

Разработанные методы также пригодятся для других проектов, включая будущую полностью проверенную карту мозга данио и картирование отдельных участков мозга мыши. Полная реконструкция человеческого мозга с 86 миллиардами нейронов по-прежнему недостижима, однако такие исследования помогают раскрывать принципы работы мозга и процессы, связанные с болезнями Альцгеймера, депрессией и шизофренией. В перспективе авторы рассчитывают, что эти работы приведут к новым способам лечения когнитивных нарушений, поддержания здоровья мозга и восстановления нервной ткани.

Над проектом работали исследователи Google Research Михаил Янушевский и Вирен Джайн, академические партнёры HHMI Janelia и других организаций, а также команда Connectomics в Google. Авторы отдельно поблагодарили Ханну Хики и Элис Климэн за помощь, а Лиззи Дорфман, Майкла Бреннера, Джона Платта и Йосси Матиаса — за поддержку, координацию и руководство.