Как 500 миллионов синапсов раскрывают тайны нейронных сетей
Коннектомный прорыв: первая в мире карта мозга, объединяющая структуру и активность нейронов
Исследователи проекта Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS) совершили прорыв в нейробиологии, создав самую детализированную на сегодняшний день 3D-карту соединений мозга млекопитающего. Работа, опубликованная в Nature и Nature Methods, объединила усилия более 150 ученых и предоставила беспрецедентные данные о структуре и активности нейронов в зрительной коре мыши.
Масштаб и детализация карты
Карта охватывает кубический миллиметр мозговой ткани, что составляет около 0,2% мозга мыши, но содержит колоссальное количество данных:
- 200 000 клеток, из которых 82 000 — нейроны
- 500 миллионов синапсов
- 4 километра аксональных «проводов»
- Записи активности 76 000 нейронов в ответ на визуальные стимулы (включая фрагменты фильма «Матрица»)
Этот объем информации впервые позволил соотнести активность нейронов с их структурными связями в таком масштабе, что ранее было недостижимо.
Процесс создания карты включал несколько этапов. Сначала ученые записали нейронную активность, пока мышь просматривала видео. Затем мозговая ткань была нарезана на тысячи ультратонких слоев (толщиной ~1/400 человеческого волоса). С помощью электронной микроскопии и искусственного интеллекта изображения слоев были объединены в единую карту, а нейроны, синапсы и аксоны — аннотированы. Наконец, данные о связях между нейронами были соотнесены с их активностью во время визуальной стимуляции.
Ключевые открытия
Исследование подтвердило принцип «нейроны, возбуждающиеся вместе, связываются вместе»: нейроны, реагирующие на схожие зрительные стимулы (например, движение в определенном направлении), чаще образуют связи, даже если находятся далеко друг от друга.
Также были получены новые данные о функциональной специализации коры: обнаружены различия в том, как этот принцип применяется в разных участках зрительной коры. Карта открывает возможности для изучения того, как мозг кодирует и воспроизводит визуальные воспоминания.
Значение для науки и будущих исследований
Эта работа знаменует переход коннектомики от описания структуры к пониманию динамики нейронных сетей. Полученные данные могут помочь в разработке более эффективных нейросетей, имитирующих работу мозга. Все материалы выложены в открытый доступ, что ускорит исследования в нейробиологии.
Команда MICrONS планирует масштабировать технологию для картирования всего мозга мыши, что откроет новые горизонты в изучении нейродегенеративных заболеваний, искусственного интеллекта и когнитивных процессов. Как отметил нейробиолог Мориц Хельмштедтер, это исследование — лишь начало долгого пути к пониманию того, как структура мозга определяет его функцию.
Данная работа не только устанавливает новый стандарт в коннектомике, но и предоставляет инструменты для ответа на фундаментальные вопросы о мозге. Сочетание структурной карты, функциональных данных и открытого доступа делает ее одним из самых значимых достижений нейробиологии за последние годы.