Naukowcy ukończyli najbardziej zaawansowaną jak dotąd mapę mózgu owada, przełomowe osiągnięcie w neuronauce, które przybliża naukowców do prawdziwego zrozumienia mechanizmu myślenia.
Międzynarodowy zespół kierowany przez Johns Hopkins University i University of Cambridge stworzył zapierający dech w piersiach szczegółowy diagram śledzący każde połączenie nerwowe w mózgu larwy muszki owocowej, archetypowy model naukowy z mózgami porównywalnymi z ludzkimi.
Praca, która prawdopodobnie stanie się podstawą przyszłych badań nad mózgiem i zainspiruje nowe architektury uczenia maszynowego, ukazała się dzisiaj w czasopiśmie Science.
„Jeśli chcemy zrozumieć, kim jesteśmy i jak myślimy, częścią tego jest zrozumienie mechanizmu myślenia” – powiedział starszy autor Joshua T. Vogelstein, inżynier biomedyczny Johns Hopkins, który specjalizuje się w projektach opartych na danych, w tym w konektomice, badaniu połączeń układu nerwowego. „Kluczem do tego jest wiedza, w jaki sposób neurony łączą się ze sobą”.
Pierwsza próba zmapowania mózgu – 14-letnie badanie glisty rozpoczęte w latach 70. zaowocowało częściową mapą i Nagrodą Nobla. Od tego czasu częściowe konektomy zostały zmapowane w wielu systemach, w tym muchach, myszach, a nawet ludziach, ale te rekonstrukcje zazwyczaj reprezentują tylko niewielką część całego mózgu. Kompleksowe konektomy zostały wygenerowane tylko dla kilku małych gatunków z kilkoma setkami do kilku tysięcy neuronów w ich ciałach – glisty, larwalnego koktajla morskiego i larwalnego morskiego robaka pierścienicowego.
Łącznik tego zespołu młodej muszki owocówki, larwy Drosophila melanogaster, jest najbardziej kompletną i najbardziej rozległą mapą całego mózgu owada, jaką kiedykolwiek ukończono. Zawiera 3016 neuronów i każde połączenie między nimi: 548 000.
„Minęło 50 lat i to jest pierwszy konektom mózgu. To flaga na piasku, że możemy to zrobić” – powiedział Vogelstein. „Wszystko do tego zmierza”.
Mapowanie całych mózgów jest trudne i niezwykle czasochłonne, nawet przy użyciu najlepszej nowoczesnej technologii. Uzyskanie pełnego obrazu mózgu na poziomie komórkowym wymaga pocięcia mózgu na setki lub tysiące pojedynczych próbek tkanek, z których wszystkie muszą zostać zobrazowane za pomocą mikroskopów elektronowych przed żmudnym procesem rekonstrukcji wszystkich tych kawałków, neuron po neuronie, w pełny , dokładny portret mózgu. Zajęło to ponad dekadę, aby zrobić to z muszką owocową. Szacuje się, że mózg myszy jest milion razy większy niż mózg młodej muszki owocowej, co oznacza, że szansa na zmapowanie czegokolwiek zbliżonego do ludzkiego mózgu jest mało prawdopodobna w najbliższej przyszłości, a może nawet za naszego życia.
Zespół celowo wybrał larwę muszki owocówki, ponieważ w przypadku owadów gatunek ten ma wiele wspólnych cech biologicznych z ludźmi, w tym porównywalną podstawę genetyczną. Ma również bogate zachowania związane z uczeniem się i podejmowaniem decyzji, co czyni go użytecznym organizmem modelowym w neuronauce. Ze względów praktycznych jego stosunkowo zwarty mózg można zobrazować, a jego obwody zrekonstruować w rozsądnych ramach czasowych.
Mimo to praca zajęła University of Cambridge i Johns Hopkins 12 lat. Samo obrazowanie zajęło około jednego dnia na neuron.
Naukowcy z Cambridge stworzyli obrazy mózgu o wysokiej rozdzielczości i ręcznie je zbadali, aby znaleźć poszczególne neurony, dokładnie śledząc każdy z nich i łącząc ich połączenia synaptyczne.
Cambridge przekazało dane firmie Johns Hopkins, gdzie zespół spędził ponad trzy lata, używając oryginalnego kodu, który stworzyli, aby analizować łączność mózgu. Zespół Johns Hopkins opracował techniki znajdowania grup neuronów w oparciu o wspólne wzorce połączeń, a następnie przeanalizował, w jaki sposób informacje mogą rozprzestrzeniać się w mózgu.
Ostatecznie cały zespół sporządził mapę każdego neuronu i każdego połączenia oraz sklasyfikował każdy neuron według roli, jaką odgrywa w mózgu. Odkryli, że najbardziej ruchliwymi obwodami mózgu były te, które prowadziły do i od neuronów ośrodka uczenia się.
Metody opracowane przez Johnsa Hopkinsa mają zastosowanie w każdym projekcie połączenia mózgowego, a ich kod jest dostępny dla każdego, kto spróbuje zmapować jeszcze większy mózg zwierzęcy, powiedział Vogelstein, dodając, że pomimo wyzwań, oczekuje się, że naukowcy zmierzą się z myszą, być może w ciągu następna dekada. Inne zespoły już pracują nad mapą mózgu dorosłej muszki owocowej. Współautor, Benjamin Pedigo, doktorant Johns Hopkins w dziedzinie inżynierii biomedycznej, spodziewa się, że kod zespołu może pomóc w ujawnieniu ważnych porównań między połączeniami w mózgu dorosłego i larwy. Ponieważ konektomy są generowane dla większej liczby larw i innych spokrewnionych gatunków, Pedigo spodziewa się, że ich techniki analizy mogą doprowadzić do lepszego zrozumienia różnic w okablowaniu mózgu.
Praca nad larwą muszki owocowej wykazała cechy obwodów, które uderzająco przypominają wybitne i potężne architektury uczenia maszynowego. Zespół spodziewa się, że dalsze badania ujawnią jeszcze więcej zasad obliczeniowych i potencjalnie zainspirują nowe systemy sztucznej inteligencji.
„To, czego dowiedzieliśmy się o kodzie dla muszek owocowych, będzie miało wpływ na kod dla ludzi” – powiedział Vogelstein. „To właśnie chcemy zrozumieć – jak napisać program, który prowadzi do sieci ludzkiego mózgu”.
Wideo: https://youtu.be/NXr0ZdoYgRw
Wśród autorów znaleźli się: Michael Winding, Christopher L. Barnes, Heather G. Patsolic, Youngser Park, Tom Kazimiers, Akira Fushiki, Ingrid V. Andrade, Avinash Khandelwal, Javier Valdes-Aleman, Feng Li, Nadine Randel, Elizabeth Barsotti, Ana Correia, Richard D. Fetter, Volker Hartenstein, Carey E. Priebe, Albert Cardona i Marta Zlatic.