Коннектом насекомого впервые картировали полностью

Американские и британские исследователи составили карту всех синаптических связей в мозге личинки плодовой мухи дрозофилы. Это первый полный коннектом мозга насекомого в арсенале науки. Отчет о работе опубликован в журнале Science.

Знание архитектуры нейронных сетей мозга с точностью до синапса играет ключевую роль в понимании принципов его работы. При этом их картирование чрезвычайно трудозатратно и сложно технически, поэтому до сих пор полные коннектомы были получены лишь для трех организмов, мозг которых состоит из нескольких сотен нейронов: круглого червя Caenorhabditis elegans, личинки оболочника Ciona intestinalis и многощетинкового червя Platynereis dumerilii. У более сложных животных подобные карты удавалось составить лишь для отдельных мозговых структур, однако это не давало достаточной информации о функционировании мозга в целом, поскольку для него критическое значение имеют перекрестные связи между удаленными друг от друга отделами.

Альберт Кардона (Albert Cardona) из Кембриджского университета и Медицинского института имени Говарда Хьюза с коллегами из Великобритании и США сосредоточили свои усилия на личинке первого возраста (первого инстара, до первой линьки) обыкновенной дрозофилы (Drosophila melanogaster). Она обладает достаточно сложным мозгом из нескольких тысяч нейронов и богатым репертуаром адаптивного поведения, но изучить ее нейроны на нанометровом уровне и реконструировать их взаимосвязи можно за адекватный промежуток времени. При этом личинка гомологична по мозговым структурам взрослой особи и другим видам насекомых. Кроме того, многообразие разработанных для дрозофил генетических инструментов и прозрачное тело значительно облегчают селективное манипулирование активностью их нейронов и ее регистрацию.

Исследователи провели электронную микроскопию всего объема мозга личинки дрозофилы с посинаптическим разрешением, охватывающие все нейроны центральной нервной системы, а также аксоны сенсорных и дендриты моторных нейронов, что позволило реконструировать все нервные пути от чувствительного ввода до двигательного вывода (попутно проводилась аналогичная работа с мозгом взрослого насекомого). В общей сумме получилось 3016 нервных клеток и примерно 548 тысяч синапсов. Авторы работы детально проанализировали архитектуру мозговых цепей, включающую типы нейронов и соединений между ними, узлы сетей и мотивы цепей. 73 процента узлов ввода-вывода были задействованы в процессах обучения. Основанная на синаптических связях иерархическая кластеризация позволила выделить 93 типа нейронов, что укладывалось в их классификацию по морфологическим и функциональным признакам.

Для отслеживания полного прохождения сигналов по полисинаптическим сетям всего мозга разработали отдельный алгоритм, с помощью которого изучили пути прямой (от органов чувств к движениям) и обратной связи (она оказалась распределенной и многоуровневой), мультисенсорную интеграцию (хорошо развитую) и межполушарные взаимодействия.

41 процент нейронов получали по длинной цепочке возвратный ввод сигнала. Распределение такой рекуррентности было неравномерным — сильнее всего она прослеживалась в областях, отвечающих за обучение и выбор действий, особенно в стимулирующих обучение дофаминергических нейронах. Многие нервные клетки с аксонами, идущими в другое полушарие, принадлежали к узлам ввода-вывода и имели синаптические связи друг с другом, что способствовало межполушарному взаимодействию.

Изучение контактов между мозгом и нервной трубкой показало, что сигналы нисходящих нейронов идут к небольшой фракции премоторных элементов, которые могут играть важную роль в переключении между видами движений. Часть этих популяции нервных клеток взаимодействует с низкоуровневыми постсенсорными интернейронами, модулирующими обработку информации от органов чувств.

Авторы работы отмечают, что некоторые особенности организации мозга личинки дрозофилы, такие как дополнительные короткие связи между множественными слоями и вложенные возвратные петли, напоминают приемы, используемые в наиболее продвинутых искусственных нейросетях. Это повышает вычислительную мощность мозга, компенсируя физиологические ограничения, связанные с количеством нервных клеток.

В 2016 году японским исследователям удалось создать модель коннектома одного полушария мозга взрослой дрозофилы, включающую около 100 тысяч нейронов. Для этого они использовали рентгеновскую микротомографию с с предварительной импрегнацией ткани серебром. Полученную карту размером 1250×1200×840 вокселов проанализировали алгоритмом, который оценивал вероятность нахождения нейрона в каждом вокселе и распространение его отростков на соседние вокселы с постоянным контролем согласованности получающейся модели. Работа заняла 17 тысяч человеко-часов.