Исследования мозга мыши улучшают понимание человеческих умов

Исследователи Google только что представили невероятно подробную карту человеческого мозга, сосредоточив внимание на крошечной, но значимой части: всего 1 кубический миллиметр мозговой ткани, примерно размером с половину рисового зерна. Эта карта, для кодирования которой потребовалось ошеломляющее количество данных — 1,4 петабайта, демонстрирует отдельные нейроны и их сложные связи с поразительной четкостью.

Хотя это крошечная часть мозга, карта привела к удивительным открытиям. «Например, мы заметили, что некоторые нейронные провода скручиваются в эти огромные узлы», — говорит научный сотрудник Google Вирен Джейн. «Мы не имеем понятия, почему это происходит — это нечто, чего никто раньше не видел».

Теперь Вирен и его команда переключают внимание на мозг мышей, и на это есть веская причина. Эти маленькие млекопитающие могут стать ключом к разгадке некоторых из самых глубоких тайн нашего собственного разума. Вопросы, такие как: Как мы сохраняем и извлекаем воспоминания? Как мы распознаем объекты и лица? Почему нам нужно так много спать? И что идет не так при таких состояниях, как болезнь Альцгеймера и другие заболевания мозга?

«Основная причина, по которой у нас нет ответов на эти вопросы, заключается в том, что нам все еще не хватает важных данных для изучения мозга», — объясняет Вирен.

Человеческий мозг, с его 86 миллиардами нейронов и более чем 100 триллионами синапсов, является сложным механизмом, стоящим за нашими мыслями, эмоциями, движениями и взаимодействием с миром. Картируя эти нейронные связи, или «коннектом», мы можем получить представление о том, как функционирует наш мозг и почему иногда он дает сбои.

Создание подробных карт на синаптическом уровне — задача не из легких; это требует визуализации мозга с нанометровой разрешающей способностью и обработки огромных объемов данных. Это техническая проблема, которая требует постоянных инноваций в области визуализации, алгоритмов ИИ и инструментов управления данными. Именно поэтому десять лет назад Google Research создала свою команду по коннектомике.

За последние десять лет команда добилась значительных успехов в разработке технологий для более эффективной обработки, анализа и обмена данными, значительно ускорив наше понимание мозга. Например, они внедрили сети заливки, которые автоматизируют трассировку нейронов на изображениях мозга с использованием машинного обучения, устраняя необходимость ручной раскраски. Они также разработали алгоритм SegCLR для автоматической идентификации различных частей клеток и типов клеток в этих сетях. Кроме того, они создали программное обеспечение, такое как TensorStore и Neuroglancer, для хранения, обработки и визуализации больших многомерных изображений и объемов.

Однако картирование всего коннектома человеческого мозга остается далекой целью. Это потребовало бы анализа до зеттабайта данных — одного миллиарда терабайт, — что в настоящее время выходит за пределы наших технологических возможностей. «Картирование всего человеческого мозга прямо сейчас обошлось бы в миллиарды долларов и заняло бы сотни лет», — признает Вирен.

В результате исследователи сосредотачиваются либо на картировании больших частей мозга меньших животных, либо на меньших участках мозга более крупных животных. В 2020 году команда по коннектомике успешно картировала половину мозга плодовой мухи, раскрыв связи между 25 000 нейронов. Сотрудничество с другими исследователями также привело к созданию коннектомов для частей мозга зебровой амадины и личинок данио-рерио. А в мае подробная карта 1 кубического миллиметра ткани человеческого мозга была опубликована в Science.

Наборы данных из этих проектов использовались тысячами исследователей по всему миру, что привело к сотням опубликованных открытий.

Исследователи создали трехмерное изображение почти каждого нейрона и их связей в небольшом кусочке ткани человеческого мозга. Верхнее изображение показывает возбуждающие нейроны, подсвеченные желтым, а нижнее изображение отображает тормозные нейроны, выделенные синим.

Команда по коннектомике в настоящее время сотрудничает с партнерами в Гарварде, Принстоне и других учреждениях, чтобы картировать гиппокамп мыши — область мозга, отвечающую за формирование памяти, внимание и пространственную навигацию, составляющую 2–3% всего мозга мыши.

Без возможности картировать весь человеческий мозг анализ коннектома мыши — это практичный следующий шаг. Он достаточно мал, чтобы быть осуществимым, и может дать понимание, применимое к человеческому мозгу. «Когда вы рассматриваете мозг мыши под электронным микроскопом, он удивительно похож на человеческий мозг. Это, по сути, миниатюрная версия», — говорит Джефф В. Лихтман, профессор молекулярной и клеточной биологии в Гарварде. Именно поэтому мышей часто используют для изучения расстройств человеческого мозга.

Мыши представляют собой последний рубеж в коннектомике, но нейроученые десятилетиями картировали все более сложные мозги. Первый коннектом был создан для мозга червя и опубликован в 1986 году после 16 лет работы.

Хотя мозг мыши в 1000 раз меньше человеческого, его картирование остается сложной технической задачей. Набор данных от одного коннектома мозга мыши с нанометровой разрешающей способностью может стать крупнейшим биологическим набором данных, оцениваемым в 20 000–30 000 терабайт.

«Не только сбор данных представляет собой проблему, но их хранение и точная обработка — это еще одно препятствие», — отмечает Вирен. «Наш уникальный вклад заключается в разработке инструментов, которые раздвигают границы точности, и их применении к все более крупным наборам данных».

В случае успеха проект команды по коннектомике с мозгом мыши станет первым случаем, когда ученые картировали часть гиппокампа млекопитающего и самый большой участок мозга, который когда-либо пытались картировать.

«Фундаментальные исследования невероятно ценны», — заключает Вирен. «Меня волнует перспектива однажды точно понять, как формируются воспоминания и что вызывает психические расстройства или заболевания. Но для этого нам нужно продолжать развивать технологии так, как это было бы невообразимо всего пару десятилетий назад».