Поделиться
Создана самая совершенная 3D-карта нейронных связей головного мозга
Международная команда ученых создала самую детальную и большую карту головного мозга мыши, на ней представлены 84 тыс. нейронов и 500 млн связей между ними. Единственная карта головного мозга сопоставимого масштаба — это кубический миллиметр человеческого мозга, где визуализированы лишь 16 тыс. нейронов и 150 млн синапсов.
Масштабная 3D-карта
Международная команда ученых из США, Германии и Дании совершила прорыв в нейробиологии, исследование опубликовано в научном журнале Nature. Со слов ученых они составили самую подробную на 11 апреля 2025 г. карту нейронных связей мозга. Исследователи показали 3D-карту головного мозга мыши из 84 тыс. нейронов и 500 млн связей между ними.
Работа под руководством сотрудников проекта Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS), где трудились более 150 исследователей, позволила создать трехмерную карту высокого разрешения части зрительной коры головного мозга мыши. Это дало ученым возможность в корне изменить представление о работе и функциях этого органа. Общий объем данных составил 1,6 петабайтов (ПБ) информации, охватив активность более 200 тыс. клеток. Карта включает в себя 4 км разветвленных аксонов и 500 млн синаптических центров.
Нейронные связи в головном мозге — как переплетенные нити паутины, которые делают мозг столь удивительно сложным и многофункциональным. Когда нейрон получает сигнал, он передает его дальше по цепочке с помощью электрических импульсов и химических веществ, формируя нейронные связи. Этот процесс можно представить как игру в телефон, где сообщение передается от одного игрока к другому, только здесь ставки гораздо выше, потому что на кону — мышление, чувства и все действия живого организма.
«Достижения MICrONS является переломным моментом для нейронауки, который можно сравнить с проектом генома человека по своему трансформационному потенциалу», — отмечает ведущий автор работы из Принстонского университета Дэвид Марковиц (David Markowitz).
В работе приняли участие нейробиологи из Принстонского университета (США), Института Аллена (США) и Медицинского колледжа Бейлора (США). Ученые проводили наблюдения за активностью нейронов в зрительной коре головного мозга мыши на основе ряда видео.
После этого специалисты из Института Аллена использовали электронную микроскопию, создав изображение этого участка мозга, предварительно разделенного на 25 тыс. ультратонких фрагментов, каждый из которых был тоньше человеческого волоса. Ученые в сфере искусственного интеллекта (ИИ) в Принстоне задействовали передовые ИИ-алгоритмы для отслеживания и реконструкции нейронных и синаптических связей клеточной архитектуры. Эта модель впоследствии была преобразована в трехмерную.
«Внутри этого крошечного пятнышка есть целая архитектура, похожая на изысканный лес. В нем есть всевозможные правила связей, которые мы знали из разных частей нейронауки, и в рамках самой реконструкции мы можем проверить старые теории и надеяться найти новые вещи, которых никто никогда раньше не видел», — объясняет старший научный сотрудник Института Аллена Клэй Рейд (Clay Reid).
Проведение эксперимента
Необычный эксперимент начался с показа мыши фрагментов из «Матрицы» и других кинокартин. Специалисты из Медицинского колледжа Бейлора использовали генетически модифицированное животное, нейроны которого светились при активности. Это позволило зафиксировать, как клетки зрительной коры реагируют на движущиеся изображения.
Затем исследователи из Института мозга Аллена применили передовую технологию: они разрезали изучаемый участок мозга на 25 тыс. сверхтонких слоев и сделали 100 млн микроскопических снимков. «Это как размотать клубок спагетти и раскрасить каждую нить в свой цвет», — пояснил руководитель проекта из Института мозга Аллена Форрест Коллман (Forrest Coleman).
Результаты работы выложили в открытый доступ, позволяя ученым со всего мира продолжать исследования.
Тормозные нейроны
Одним из ключевых открытий для ученых стало изменение представления о работе тормозных нейронов. Это тип интернейронов, аксоны которых образуют на телах и дендритах возбуждающих клеток нервные окончания, в которых вырабатывается особый тормозный медиатор. До апреля 2025 г. считалось, что эти нейроны выполняют функции исключительно подавления мозговой активности. Однако они, как оказалось, работают очень избирательно. Целые группы этих нейронов слаженно работают над сдерживанием отдельных наборов возбуждающих клеток, в то же время — другие сосредоточены исключительно на одном типе клеток.
Этот сложный механизм сдерживания и контрсдерживания раскрывает неизвестный до этого баланс координации нейронов в процессах обработки информации. Кроме раскрытия архитектуры мышления, это исследование может открыть новые возможности для диагностики и лечения связанных с мозгом расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, аутизм и шизофрения.
Короткая ссылка
