Для создания детальной трехмерной карты авторы разделили центральную нервную систему одной мухи на тысячи тончайших слоев, сделали миллионы снимков с помощью электронного микроскопа, а затем объединили их с помощью искусственного интеллекта. Проект уже дает плоды: теперь биологи могут детально проследить поток информации от восприятия органами чувств до конкретного действия.
Создан первый полный коннектом мозга плодовой мушки: 160 000 нейронов и 100 миллионов синапсов
Ученые впервые создали полную карту связей между нейронами центральной нервной системы взрослой дрозофилы. Масштабный международный проект объединил усилия нескольких лабораторий, включая Гарвард и Принстон. Исследователи соединили уже известный коннектом головного мозга мухи с картой ее брюшной нервной цепочки, которая служит аналогом спинного мозга. Это достижение позволяет холистически взглянуть на работу организма и понять, как взаимодействуют мозг и тело животного при выполнении сложных действий, таких как полет или ходьба. Раньше эти структуры изучались отдельно, что мешало проследить полный путь прохождения сигналов.
Дрозофила. https://biochemtech.eu/
Коннектом дрозофилы имеет колоссальное значение для развития искусственного интеллекта. Ученые замечают, что крошечная муха способна выполнять сложнейшие задачи, которые пока не под силу даже самым продвинутым современным роботам и нейросетям. Биологические принципы связи нейронов, зафиксированные на карте, помогут инженерам создавать более эффективных автономных агентов для навигации в виртуальных и реальных мирах. Опыт расшифровки коннектома мухи также закладывает технологическую основу для картографирования нервных систем других видов животных. Отработанные алгоритмы сканирования и сборки трехмерных моделей с помощью ИИ сократят время будущих исследований мозга млекопитающих.
В нервной системе мушки 160 000 нейронов и 100 миллионов синапсов (соединений), то есть в среднем каждый нейрон соединяется с сотнями или даже тысячами других нервных клеток. Работа опубликована в журнале Nature.
50 крупнейших нейронов мозга дрозофилы.
Полученные данные исследователи выложили в открытый доступ, чтобы их коллеги по всему миру могли использовать карту для проверки новых гипотез. Соавтор работы Рэйчел Уилсон отмечает важность этого события: «Мы впервые можем увидеть все нейроны и их соединения как единое целое и спросить себя: чему это нас учит?».
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Локальный контроль движений
Анализ коннектома принес неожиданное открытие в области моторного контроля. Ранее в науке доминировало представление о том, что за принятие решений и управление всеми действиями отвечает некий центральный контроллер в головном мозге.
Коннектом показывает, как нейроны в мозге плодовой мушки соединяются с нейронами в ее теле через структуру, аналогичную спинному мозгу.
Однако новая карта показала, что управление движениями у дрозофилы устроено иначе и сильно децентрализовано. Движение каждой лапки мухи в основном контролируется локальными нейронными цепями, расположенными прямо в этой конечности. Чтобы обеспечить сложную скоординированную ходьбу, эти локальные модули общаются между собой, не обращаясь к головному мозгу.
Аналогичный принцип децентрализации ученые обнаружили в управлении крыльями и ротовым аппаратом. Локальные моторные цепи тесно переплетены со зрительной и эндокринной системами, которые поставляют дополнительную информацию для корректировки поведения.
Авторы исследования полагают, что такой распределенный принцип управления не является уникальной особенностью насекомых и наверняка обнаружится у более сложных живых существ, включая млекопитающих. В будущем биологи планируют нанести на карту места выделения нейропептидов, а также использовать принципы организации нервной системы мухи для совершенствования робототехники и обучения искусственного интеллекта.