166 691 нейрон і 125 млн синапсів: учені завершили повну карту нервової системи самця дрозофіли

Коли в новині з’являється фраза “повністю картували мозок”, легко уявити щось набагато фантастичніше, ніж сталося насправді: ніби вчені отримали цифрову копію свідомості або навчилися читати думки мухи. Connectome — інша річ. Це надзвичайно детальна структурна карта того, які нервові клітини з якими з’єднані. Вона не містить усіх електричних станів, концентрацій молекул, змін сили синапсів у часі чи повної історії активності. Але без такої “електричної схеми” складно перейти від опису окремих нейронів до механістичного пояснення поведінки. Саме тому завершення повного connectome самця дрозофіли — великий крок навіть для організму, мозок якого незрівнянно менший за людський.

Новий набір охоплює не лише центральний мозок. У ньому є оптичні частки, які можна грубо порівняти з частиною зорової системи хребетних, і ventral nerve cord — вентральний нервовий ланцюжок, функціонально схожий на спинний мозок тим, що проводить і перетворює сигнали між мозком та тілом. Загалом дослідники реконструювали 166 691 нейрон і близько 125 млн синаптичних контактів та розподілили клітини приблизно на 11 691 тип. За кількістю нейронів Google називає цей набір найбільшою завершеною картою мозку на сьогодні. Важливо й те, що дані не сховані за внутрішнім сервером лабораторії: їх можна переглядати через спеціальні інструменти на кшталт Neuroglancer і завантажувати для власного аналізу.

AI зробив карту можливою, але не зробив її автоматично

Вихідний матеріал connectomics виглядає майже непридатним для ручної роботи. Нервову тканину ріжуть на величезну кількість надтонких зрізів і фотографують електронним мікроскопом. На кожному зображенні видно лише фрагменти клітин та їхніх відростків. Щоб відновити один нейрон у трьох вимірах, потрібно зрозуміти, який фрагмент на одному зрізі продовжується на наступному, і повторити це для сотень тисяч клітин. Помилка злиття двох відростків або розрив одного аксона може змінити цілий маршрут сигналу. Саме тут Google роками розвивала AI-методи, включно з flood-filling networks, які вчаться простежувати один об’єкт крізь послідовність зображень.

Проте твердження “AI сам намалював мозок” було б неправильним. Google прямо зазначає, що фінальний male connectome був анотований і proofread командою людських експертів у Janelia. Навіть сучасна автоматична сегментація залишає помилки, а мільйони локальних рішень мають бути достатньо надійними, щоб біологи могли будувати на них експерименти. Для масштабу прогресу: у 2020 році команда публікувала перевірену карту приблизно половини жіночого мозку дрозофіли — близько 25 тис. нейронів і 21 млн зв’язків. Нинішній повний male CNS вимагав років додаткової автоматизації, обчислень, анотування та перевірки. AI тут не замінює науковця; він робить задачу такого масштабу взагалі можливою.

Особливо цікаво, що тепер у дослідників є порівнювані карти чоловічої й жіночої нервової системи. У роботі автори зіставили 7 319 типів клітин центрального мозку між статями. Із них 7 205 виявилися ізоморфними, тобто загалом відповідали одна одній; 114 типів класифікували як диморфні, ще 262 — як специфічні для самців і 69 — для самиць. Це важливіше за просту статистику “мозки різні”. Більшість сенсорної та моторної периферії дуже подібна, тоді як статеві відмінності концентруються у вищих центрах і в окремих вузлах, де інформація може перенаправлятися між мережами.

Що можна побачити на карті, якщо вона сама по собі не пояснює поведінку

Дрозофіла — один із найсильніших модельних організмів біології саме тому, що її поведінку можна контрольовано пов’язувати з генами та конкретними нейронами. Муха бачить, відчуває запахи й смак, орієнтується, навчається, вибирає партнера, демонструє агресію та перетворює сенсорні сигнали на точні рухи. Повна карта дозволяє пройти цей шлях не фрагментами, а від входу до виходу: наприклад, простежити, як сигнал від запахового або зорового рецептора проходить через проміжні центри й зрештою доходить до нейронів, що керують рухом. Це не доводить функцію кожного зв’язку, але дає дуже конкретні гіпотези, які можна перевірити генетично або фізіологічно.

Порівняння двох статей додає ще один рівень. У Drosophila давно відомі гени fruitless і doublesex, пов’язані зі статевоспецифічним розвитком нервової системи та поведінкою. Тепер дослідники можуть не просто сказати, що певна група нейронів “важлива для залицяння”, а побачити, як саме відрізняється її проводка, де з’являються додаткові відростки, яких партнерів клітина отримує і як ці зміни можуть перекидати один і той самий сенсорний сигнал у різні моторні програми. Автори описують своєрідні circuit switches — ділянки, де відносно локальні відмінності перебудовують маршрут інформації без необхідності робити всю нервову систему принципово іншою.

Масштаб людського мозку показує, наскільки далеко ще до “повного connectome людини”. У нас приблизно 86 млрд нейронів — більш ніж у пів мільйона разів більше, ніж у цій дрозофіли, а кількість синапсів вимірюється вже десятками або сотнями трильйонів. Плюс сам connectome не фіксує всі біохімічні та часові властивості нейронної мережі. Тому ця робота не є короткою дорогою до цифрової копії людини. Її справжня цінність практичніша: вона дає нейробіологам повністю доступну систему, де структуру можна зіставляти з генетикою, активністю та поведінкою на рівні окремих клітин.

Саме в цьому сенсі AI тут справді змінює науку. Не тому, що нейромережа “зрозуміла мозок”, а тому, що автоматизувала найбільш виснажливу частину перетворення мільйонів мікроскопічних кадрів на карту, яку люди можуть перевірити та використовувати. Наступні кроки вже ведуть до більших нервових систем — зокрема риб, а далі до окремих фрагментів мозку ссавців. Повна карта маленької мухи не робить людський мозок простим, але показує, що масштабні connectome перестають бути одноразовими експериментами й стають відтворюваною науковою інфраструктурою.