139 000 нейронов как на ладони: создана первая полная 3D-карта мозга дрозофилы

В научном мире свершилось событие, масштаб которого трудно переоценить: ученые завершили создание полного коннектома мозга взрослой мухи дрозофилы. Это означает, что впервые удалось составить карту всех связей между нейронами, составляющими мозг этого насекомого. На сегодняшний день коннектом дрозофилы является наиболее полным и сложным из всех, когда-либо созданных. Он охватывает 139 тысяч нейронов и миллионы связей между ними, открывая беспрецедентные возможности для изучения принципов работы мозга.

Проект, получивший название FlyWire, стал результатом многолетней работы международной команды исследователей. Для создания коннектома ученым пришлось проанализировать гигантский массив данных, полученных с помощью серийной просвечивающей электронной микроскопии. Мозг мухи был разрезан на тончайшие срезы, каждый из которых был отсканирован с высоким разрешением. Затем эти изображения были объединены в единый трехмерный объем, а нейроны и связи между ними были вручную прослежены и аннотированы.

Создание коннектома — невероятно трудоемкий процесс, требующий не только мощных компьютеров, но и кропотливой работы специалистов. Для ускорения процесса ученые разработали специальную онлайн-платформу, позволившую привлечь к аннотированию нейронов не только профессиональных исследователей, но и энтузиастов со всего мира.

На первый взгляд может показаться странным, зачем ученым понадобилась столь подробная карта мозга мухи. Дрозофила — это, безусловно, не самое сложное существо на планете. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, мозг этого насекомого позволяет ему демонстрировать удивительно сложное поведение.

Мухи способны к обучению, запоминанию, пространственной навигации и даже к принятию решений в условиях неопределенности. Все эти способности реализуются благодаря сложной сети нейронных связей, которая, как выяснилось, имеет удивительную степень сходства с мозгом млекопитающих.

Изучение коннектома дрозофилы может пролить свет на фундаментальные принципы работы мозга не только у насекомых, но и у более высокоорганизованных животных, включая человека.

Помимо создания самой карты нейронных связей, важнейшим достижением проекта FlyWire стала разработка системы аннотаций, позволяющей упорядочить огромное количество информации, содержащейся в коннектоме. Ученые разработали иерархическую систему классификации нейронов, включающую несколько уровней: от общих категорий, таких как «сенсорные нейроны» и «моторные нейроны», до уникальных идентификаторов для каждого типа нейронов.

Сравнение коннектома FlyWire с коннектомом части мозга мухи, полученным в рамках проекта hemibrain, продемонстрировало удивительную степень стереотипности в организации мозга. Оказалось, что количество нейронов каждого типа, а также связи между ними, практически идентичны у разных особей.

Это открытие подтверждает гипотезу о том, что мозг дрозофилы развивается по строго детерминированной программе, что делает его идеальным объектом для изучения генетических и молекулярных механизмов формирования нейронных сетей.

Вместе с тем, ученые обнаружили и некоторые вариации в строении мозга мухи. Например, количество нейронов одного типа, участвующих в обработке обонятельной информации, оказалось значительно больше у мух, чей коннектом был получен в рамках проекта FlyWire, по сравнению с мухами из проекта hemibrain.

Более того, оказалось, что мозг мухи способен компенсировать подобные изменения, адаптируя связи между нейронами таким образом, чтобы сохранить функциональность системы.

Наконец, проект FlyWire позволил ученым разработать новые методы для автоматической идентификации типов нейронов, основанные на анализе их связей. Эти методы уже сейчас помогают ученым разбираться в сложных нейронных сетях мозга мухи и, вероятно, в будущем найдут применение и в исследованиях мозга других животных.

Создание полного коннектома мозга дрозофилы — это настоящий прорыв в нейробиологии. Он открывает новые возможности для изучения фундаментальных принципов работы мозга, и, возможно, в будущем поможет нам разгадать тайну сознания.

FlyWire — это только начало. Впереди — создание коннектомов мозга более сложных организмов, что, несомненно, станет еще одним важным шагом на пути к пониманию того, как работает наш собственный мозг.