Реконструирован коннектом кубического миллиметра мозга мыши

Международный исследовательский консорциум представил полную реконструкцию клеток, связей между ними и их функций примерно в кубическом миллиметре зрительной коры мозга мыши. Это один из самых крупных коннектомов, известных на сегодняшний день. Основная статья и семь публикаций с описанием использованных методов и отдельных результатов собраны в коллекцию в журнале Nature, там же им посвящена редакционная статья.

Коннектом представляет собой реконструкцию архитектуры клеток мозга и связей между ними с точностью до синапса и всех задействованных нейромедиаторов. Реконструкция подобной точности обеспечивает фундаментальное понимание принципов работы мозга и нервной системы. К настоящему времени опубликованы полные коннектомы круглого червя Caenorhabditis elegans, личинки оболочника Ciona ntestinalis, многощетинкового червя Platynereis dumerilii, а также личинки и взрослой особи плодовой мухи дрозофилы (Drosophila melanogaster). Одна из крупнейших работ на эту тему заключается в реконструкции кубического миллиметра височной коры человеческого мозга с петавоксельным разрешением — этот датасет размером 1,4 петабайта содержит информацию о примерно 57 тысячах клеток, 230 миллиметрах сосудов и 150 миллионах синапсов.

Консорциум MICrONS под руководством Андреаса Толиаса (Andreas Tolias) из Стэнфордского университета объединил более 150 исследователей из Германии, Греции, США, Швейцарии и Швеции. Чтобы получить массив исходных данных, ученые использовали генетически модифицированную мышь, нейроны которой флуоресцируют в ответ на ток кальция при их возбуждении. Эту флуоресценцию при возбуждении почти 76 тысяч нейронов регистрировали в четырех плоскостях двухфотонной микроскопией в участке зрительной коры миллиметрового масштаба, в то время как зафиксированное животное бегало на беговой дорожке в разных виртуальных лабиринтах и получало за это вознаграждения. Всего за шесть дней провели 14 сеансов записи.

После этого тот же участок коры, извлеченный и зафиксированный, отсканировали почти в 28 тысячах срезов пятью автоматизированными электронными микроскопами с разрешением около четырех нанометров, что заняло примерно полгода и принесло два петабайта сырых данных. Для дальнейшей обработки выбрали 800-микрометровый участок, в визуализациях которого практически не было перерывов. Его трехмерную структуру с разрешением восемь нанометров реконструировали с использованием набора сверточных нейросетей. Это позволило классифицировать клетки, идентифицировать их ядра, аксоны, дендриты с шипиками и синаптические соединения. Полученный датасет участники консорциума проверяли вручную с помощью специального программного обеспечения — к моменту подготовки статей они внесли более миллиона уточняющих правок. Данные функциональной регистрации и электронной микроскопии сопоставили гибридным автоматизированным и ручным методами.

Полученная реконструкция участка зрительной коры размером in vivo 1,3 × 0,87 × 0,82 миллиметра занимает 1,6 петабайта и содержит информацию об около 84 тысячах нейронов, полумиллиарде синапсов и 5,4 километра нервных связей. Ее выложили в открытый доступ, снабдив инструментами для автоматического морфологического анализа (NEURD) и совместной многопользовательской проверки и аннотирования (CAVE).

Работа позволила идентифицировать новые типы клеток, их характеристики, организационные и функциональные принципы, а также разработать новые методы классификации клеток. Среди наиболее интересных находок авторы выделяют открытие принципов торможения в мозге: оказалось, что ингибирующие нейроны высокоселективны и могут действовать совместно, подавляя множественные возбуждающие нейроны, а могут действовать избирательно лишь на отдельные их типы.

А посмотреть на изображения и видео реконструированного ранее коннектома дрозофилы можно в галерее «Все соединено».