Детальна 3D-карта мозку: Прорив у розумінні нейронних мереж

Людство століттями прагнуло розгадати таємниці мозку — найскладнішого відомого об'єкта у Всесвіті. Нещодавнє досягнення міжнародної групи вчених знаменує собою велетенський крок у цьому напрямку: використовуючи крихітний фрагмент мозкової тканини миші, об'ємом лише один кубічний міліметр, що не перевищує розмір звичайної піщинки, вони створили першу в історії надзвичайно точну тривимірну карту ділянки мозку ссавця. Ця безпрецедентна візуалізація детально відображає не лише форму, але й функцію та активність 84 000 окремих нейронів — розгалужених клітин, що передають повідомлення через довгі відростки, аксони, та з'єднуються між собою за допомогою понад 500 мільйонів синапсів. Окрім нейронів, карта охоплює ще близько 200 000 інших типів мозкових клітин. Неймовірно, але у цьому мікроскопічному шматочку тканини міститься близько 5,4 кілометра нейронних «проводів» — відстань, що майже в півтора раза перевищує довжину Центрального парку в Нью-Йорку.

Ця титанічна робота стала кульмінацією майже десятирічних досліджень, до яких було залучено 150 науковців з 22 провідних наукових установ світу. Ключову роль у проєкті, відомому як програма MICrONS (Machine Intelligence from Cortical Networks — Машинний інтелект з кортикальних мереж), відіграли Інститут Аллена з вивчення мозку (Allen Institute for Brain Science), Медичний коледж Бейлора (Baylor College of Medicine) та Прінстонський університет (Princeton University).

«Побічним продуктом усього цього проєкту стало усвідомлення того, наскільки неймовірно красивим є мозок», — зазначив доктор Форрест Коллман, заступник директора з даних та технологій в Інституті Аллена, у відео, поширеному організацією. «Просто дивлячись на ці нейрони, ви бачите їхню деталізацію та масштаб таким чином, що починаєте цінувати мозок із почуттям благоговіння, подібним до того, яке виникає, коли ви дивитеся, скажімо, на зображення далекої галактики», — додав він.

Хоча створена дивовижна карта представляє лише 1/500 від повного об'єму мозку миші, обсяг отриманих даних є колосальним — 1,6 петабайта. Ця астрономічна цифра еквівалентна безперервному перегляду відео високої чіткості протягом 22 років. Важливо, що команда проєкту MICrONS вже зробила ці унікальні дані загальнодоступними для наукової спільноти, що дозволить дослідникам з усього світу використовувати їх для власних розвідок. Детальні результати проєкту були описані у кількох наукових статтях, опублікованих 9 квітня у престижному журналі Nature.

Процес створення карти був надзвичайно складним та багатоетапним. Спочатку науковці з Медичного коледжу Бейлора в Х'юстоні використали спеціалізовані мікроскопи для запису активності мозку в ділянці об'ємом 1 кубічний міліметр у зоровій корі лабораторної миші — області, де тварина обробляє візуальну інформацію. Цей процес тривав кілька днів. Дослідники переконалися, що миша була притомною та отримувала візуальну стимуляцію під час візуалізації: тварина бігла на біговій доріжці та переглядала 10-секундні уривки з різних фільмів, зокрема таких відомих стрічок, як «Матриця» та «Шалений Макс: Дорога гніву». Згідно з прес-релізом Прінстонського університету, до програми перегляду також входили YouTube-ролики з екстремальними видами спорту, такими як мотокрос, санний спорт та бейс-джампінг.

Наступним кроком, після гуманної евтаназії миші, дослідники з Інституту Аллена в Сіетлі взяли той самий кубічний міліметр мозку і надзвичайно обережно нарізали його на понад 28 000 найтонших шарів. Товщина кожного шару становила лише 1/400 товщини людської волосини. Під час нарізки кожен зріз ретельно фотографувався за допомогою електронного мікроскопа. Потім ці тисячі зображень були реконструйовані у єдиний тривимірний композитний образ. «Це зайняло у нас близько 12 днів і 12 ночей, команда працювала цілодобово, змінюючи одна одну; не тому, що ми різали вручну, це робила автоматизована машина», — розповів доктор Нуно Масаріко да Коста, асоційований дослідник в Інституті Аллена. «Нам потрібно було бути там, щоб зупинити процес у будь-який момент, якби ми ризикували втратити більше одного зрізу поспіль». Якби це сталося, за словами да Кости, експеримент довелося б починати з нуля, і він додав, що весь процес був дуже «стресовим».

На завершальному етапі команда з Прінстонського університету в Нью-Джерсі застосувала найсучасніші інструменти машинного навчання та штучного інтелекту (ШІ). Алгоритми ШІ були навчені простежувати контури кожного нейрона крізь тисячі зрізів, ідентифікуючи та розфарбовуючи їх індивідуально. Цей процес, відомий як сегментація, дозволив візуалізувати складну тривимірну архітектуру нейронної мережі. Важливо зазначити, що інформація, згенерована ШІ, проходить ретельну перевірку та корекцію з боку вчених-людей — цей процес валідації все ще триває.

Результатом цієї колосальної праці стало створення єдиної картини того, що вчені називають «конектомом» ділянки мозку миші. Конектом — це повна карта нейронних зв'язків у мозку або його частині. Отримана карта показує, як організовані конкретні частини мозку миші, та дає уявлення про те, як різні типи клітин взаємодіють між собою для обробки інформації.

«Конектом — це початок цифрової трансформації науки про мозок», — заявив доктор Себастьян Син, професор нейронауки та комп'ютерних наук Прінстонського університету. «За допомогою кількох натискань клавіш ви можете шукати інформацію та отримувати результати за секунди. Раніше для отримання частини цієї інформації знадобилася б ціла докторська дисертація. І в цьому полягає сила цифрової трансформації», — зазначив він у прес-релізі.

Створення подібної карти мозку довгий час вважалося завданням, що межує з неможливим. Видатний молекулярний біолог Френсіс Крік, який отримав Нобелівську премію за опис структури ДНК, свого часу висловлював сумнів у можливості досягнення такого детального розуміння мозку. «Немає сенсу просити про неможливе, наприклад, про точну схему з'єднань для кубічного міліметра мозкової тканини та спосіб, у який всі його нейрони активуються», — писав він у журналі Scientific American у 1979 році. Проте сучасні технології мікроскопії, обробки даних та штучного інтелекту дозволили спростувати цей скептицизм.

Конектом ділянки мозку миші є продовженням подібної роботи, виконаної раніше на значно менших організмах. Конектом круглого черв'яка C. elegans (з його лише 302 нейронами) був завершений у 2019 році, а повна карта нейронів мозку плодової мушки Drosophila melanogaster була представлена вченими у 2024 році. Проте, як зазначають дослідники, один кубічний міліметр мозку миші приблизно у 20 разів більший за весь мозок плодової мушки і має значно складнішу структуру. Попри це, наступною амбітною метою є створення повного конектома всього мозку миші в найближчому майбутньому.

«Я думаю, що зараз відповідь — ні, це неможливо [картувати весь мозок миші на такому рівні деталізації], але я вважаю, що у всіх є дуже чіткі ідеї щодо того, як можна подолати ці бар'єри. Ми сподіваємося, що через три-чотири роки ми зможемо сказати: так, це можливо», — сказав Коллман в інтерв'ю CNN.

Однак, за його словами, картографування конектома людського мозку з аналогічною синаптичною роздільною здатністю буде значно складнішим завданням. «Людський мозок приблизно в 1500 разів більший за мозок миші, і це створює цілу низку… технічних та етичних бар'єрів для цього», — сказав він. Проте, як додав доктор Клей Рід, старший дослідник у галузі науки про мозок в Інституті Аллена, можливо, вдасться простежити шляхи аксонів по всьому людському мозку, навіть якщо не вдасться відтворити всі синаптичні зв'язки. «Перспектива реконструкції всього людського мозку на рівні всіх з'єднань — це щось для далекого майбутнього».

Досліджена ділянка — неокортекс — є особливо цікавою для вивчення, оскільки саме ця область мозку найбільше відрізняє мозок ссавців від мозку інших хребетних, зазначають доктор Маріела Петкова, науковий співробітник, та доктор Грегор Шукнехт, постдокторант, обидва з кафедри молекулярної та клітинної біології Гарвардського університету, які не брали участі у створенні карти. «Дослідники зосередилися на цій області, оскільки вона загалом вважається центром вищих когнітивних функцій і відіграє ключову роль у сенсорному сприйнятті, обробці мови, плануванні та прийнятті рішень», — написали вони у статті, опублікованій разом із дослідженням. «Примітно, що ці, здавалося б, різні функції забезпечуються єдиним базовим планом будови, який, з певними модифікаціями, можна знайти у всіх кортикальних областях та у всіх ссавців».

Лабораторні миші вже широко використовуються як модельні організми для розуміння людських захворювань. Краще розуміння структури та функції мозку миші, яке надає нова карта, відкриває нові можливості для вивчення розладів людського мозку, таких як хвороба Альцгеймера, хвороба Паркінсона, аутизм та шизофренія, які пов'язані з порушеннями нейронних зв'язків та комунікації.

«Якщо у вас зламане радіо, і ви маєте його електричну схему, у вас буде більше шансів його полагодити», — пояснює да Коста у прес-релізі. «Ми описуємо своєрідну Google-карту або креслення цієї піщинки [мозку]. У майбутньому ми зможемо використовувати це для порівняння структури зв'язків у мозку здорової миші зі структурою зв'язків у моделі захворювання». Це досягнення є не просто технічним тріумфом, а й фундаментальним кроком до глибшого розуміння самих себе.