«Это казалось невозможным»: ученые построили 3D-карту одного миллиметра мозга

Кубический миллиметр — это меньше рисового зернышка, но в мозге такое пространство вмещает десятки тысяч нейронов и сотни миллионов связей между ними. Изучать подобные фрагменты — все равно что разбирать спутанную сеть из миллиардов проводов, каждый из которых еще и передает сигналы в реальном времени. До недавнего времени это было попросту невозможно.

Теперь возможно. Американские ученые завершили крупнейший на сегодня проект в области коннектомики — MICrONS (Machine Intelligence from Cortical Networks). Им удалось зафиксировать и структуру, и активность нейронов в зрительной коре мозга мыши на участке объемом всего один кубический миллиметр. Это первый случай, когда нейроны на таком масштабе были не только визуализированы, но и описаны функционально по тому, как они реагировали на стимулы.

Как устроена эта карта

Сначала мышам показывали короткие видео: пейзажи, объекты, движения. Ученые фиксировали реакцию нейронов в зрительной коре. Затем нужный участок мозга был стабилизирован, нарезан на 28 тысяч срезов и просканирован с микроскопической точностью. Чтобы распознать форму и соединения каждого нейрона, исследователи применили алгоритмы машинного обучения: они определяли, где проходит отросток, где находится синапс, а где заканчивается дендрит. 

Проект длился почти десять лет и объединил усилия десятков лабораторий. В результате получился массив данных объемом 1,6 петабайта — это примерно 22 года видео в HD. Он включает более 200 тысяч клеток и 523 миллиона связей.

Ученые не просто перечислили, что с чем связано. Они сопоставили анатомию с поведением клеток и выявили закономерности: например, тормозящие нейроны соединяются только с определенными типами, а клетки с похожими функциями формируют стабильные связанные группы. Впервые были получены доказательства, что структура мозга не просто хаотична, а следует определенным wiring rules — правилам прокладки связей. 

Одно из главных открытий — нейроны, выполняющие схожие функции, действительно чаще связаны между собой и эта связь не объясняется лишь физической близостью. Выявлены и более сложные закономерности, в том числе специфические паттерны тормозящих связей, — например, у так называемых клеток-шандельеров, чьи отростки напоминают люстру.

Параллельно был создан движок CAVE (Connectome Annotation Versioning Engine) — система, которая позволяет отслеживать любые изменения и правки в таком гигантском наборе данных. Это как GitHub, но для мозга: если сто человек параллельно размечают миллион связей, нужно, чтобы они не мешали друг другу и не теряли важную информацию. 

Зачем это нужно

Исследователи создали цифрового двойника этого участка мозга. Его можно использовать для тестирования гипотез о работе коры, предсказаний реакции на стимулы, планирования экспериментов. Это шаг к более точным и индивидуальным подходам к лечению психоневрологических расстройств: можно изучать, как конкретные клеточные цепи участвуют, например, в удержании внимания или подавлении ненужной информации.

Теперь команда планирует перейти к следующей цели —  оцифровать весь мозг мыши. Это примерно в тысячу раз больше нынешнего объема. Даже с сегодняшними методами на это уйдет не меньше десяти лет. Для человеческого мозга, который еще в тысячу раз больше, такие проекты пока невозможны даже теоретически.

Тем не менее проект MICrONS стал примером того, что даже «невозможные» задачи — всего лишь вопрос времени и технологий.