Коннектом насекомого впервые картировали полностью. Объектом исследования стала личинка дрозофилы
Коннектом - это совокупность связей между нейронами, рассматриваемая как «схема соединений» («монтажная схема»).
Это исследование нервной системы насекомого поможет как нейробиологам, изучающим мозг человека, так и специалистам, занимающимся искусственными нейронными сетями.
Американские и британские исследователи составили карту всех синаптических связей в мозге личинки плодовой мухи дрозофилы. Это первый полный коннектом мозга насекомого в арсенале науки. Отчет о работе опубликован в журнале Science.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330
Знание архитектуры нейронных сетей мозга с точностью до синапса играет ключевую роль в понимании принципов его работы. При этом их картирование чрезвычайно трудозатратно и сложно технически, поэтому до сих пор полные коннектомы были получены лишь для трех организмов, мозг которых состоит из нескольких сотен нейронов: круглого червя Caenorhabditis elegans,
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.1986.0056
личинки оболочника Ciona intestinalis
https://elifesciences.org/articles/16962
и многощетинкового червя Platynereis dumerilii.
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.08.21.260984v2
У более сложных животных подобные карты удавалось составить лишь для отдельных мозговых структур, однако это не давало достаточной информации о функционировании мозга в целом, поскольку для него критическое значение имеют перекрестные связи между удаленными друг от друга отделами.
Альберт Кардона (Albert Cardona) из Кембриджского университета и Медицинского института имени Говарда Хьюза с коллегами из Великобритании и США сосредоточили свои усилия на личинке первого возраста (первого инстара, до первой линьки) обыкновенной дрозофилы (Drosophila melanogaster). Она обладает достаточно сложным мозгом из нескольких тысяч нейронов и богатым репертуаром адаптивного поведения, но изучить ее нейроны на нанометровом уровне и реконструировать их взаимосвязи можно за адекватный промежуток времени. При этом личинка гомологична по мозговым структурам взрослой особи и другим видам насекомых. Кроме того, многообразие разработанных для дрозофил генетических инструментов и прозрачное тело значительно облегчают селективное манипулирование активностью их нейронов и ее регистрацию.
https://nplus1.ru/news/2023/03/10/connect-ohm-3016
Исследователи провели электронную микроскопию всего объема мозга личинки дрозофилы с посинаптическим разрешением, охватывающие все нейроны центральной нервной системы, а также аксоны сенсорных и дендриты моторных нейронов, что позволило реконструировать все нервные пути от чувствительного ввода до двигательного вывода (попутно проводилась аналогичная работа с мозгом взрослого насекомого -
https://nplus1.ru/news/2018/07/20/fruit-fly-brain ).
Авторы работы детально проанализировали архитектуру мозговых цепей, включающую типы нейронов и соединений между ними, узлы сетей и мотивы цепей. 73 процента узлов ввода-вывода были задействованы в процессах обучения. Основанная на синаптических связях иерархическая кластеризация позволила выделить 93 типа нейронов, что укладывалось в их классификацию по морфологическим и функциональным признакам.
Для отслеживания полного прохождения сигналов по полисинаптическим сетям всего мозга разработали отдельный алгоритм, с помощью которого изучили пути прямой (от органов чувств к движениям) и обратной связи (она оказалась распределенной и многоуровневой), мультисенсорную интеграцию (хорошо развитую) и межполушарные взаимодействия.
Изучение контактов между мозгом и нервной трубкой показало, что сигналы нисходящих нейронов идут к небольшой фракции премоторных элементов, которые могут играть важную роль в переключении между видами движений. Часть этих популяции нервных клеток взаимодействует с низкоуровневыми постсенсорными интернейронами, модулирующими обработку информации от органов чувств.
Авторы работы отмечают, что некоторые особенности организации мозга личинки дрозофилы, такие как дополнительные короткие связи между множественными слоями и вложенные возвратные петли, напоминают приемы, используемые в наиболее продвинутых искусственных нейросетях. Это повышает вычислительную мощность мозга, компенсируя физиологические ограничения, связанные с количеством нервных клеток.
(
41 процент нейронов получали по длинной цепочке возвратный ввод сигнала. Распределение такой рекуррентности было неравномерным — сильнее всего она прослеживалась в областях, отвечающих за обучение и выбор действий, особенно в стимулирующих обучение дофаминергических нейронах. Многие нервные клетки с аксонами, идущими в другое полушарие, принадлежали к узлам ввода-вывода и имели синаптические связи друг с другом, что способствовало межполушарному взаимодействию.
https://nplus1.ru/news/2023/03/10/connect-ohm-3016
Следует отметить, что в 2016 году японским исследователям удалось создать модель коннектома одного полушария мозга взрослой дрозофилы, включающую около 100 тысяч нейронов. Для этого они использовали рентгеновскую микротомографию с с предварительной импрегнацией ткани серебром. Полученную карту размером 1250×1200×840 вокселов проанализировали алгоритмом, который оценивал вероятность нахождения нейрона в каждом вокселе и распространение его отростков на соседние вокселы с постоянным контролем согласованности получающейся модели. Работа заняла 17 тысяч человеко-часов.
https://nplus1.ru/news/2016/09/19/brain-structure
По теме коннектома рекомендуем читать:
Нейробиолог Себастьян Сеунг: "Ваш коннектом сформировали и гены, и жизненный опыт...Вы – больше, чем ваши гены. Вы – это ваш коннектом."
О влиянии факторов генетических и социальных факторов (формирующих жизненный опыт) на нейронную сеть мозга и развитие личности человека - пишет нейробиолог Себастьян Сеунг в своей книге "Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть".
Коннектом - это совокупность связей между нейронами, рассматриваемая как «схема соединений» («монтажная схема»).
Автор книги рассказывает о том, что личность и интеллект определяются коннектомом.
https://vk.com/wall-198541633_545
Иллюстрация: Морфофункциональная реконструкция мозга личинки дрозофилы
Michael Winding et al. / Science, 2023
