Створено мапу мозку миші: 84 000 нейронів у 3D

Людство зробило ще один крок до розгадки однієї з найбільших таємниць природи — роботи мозку. Міжнародна команда вчених створила безпрецедентно детальну та найбільшу на сьогодні функціональну карту ділянки мозку миші, яка візуалізує зв'язки між десятками тисяч нервових клітин у момент їхньої активності. Цей вражаючий масив даних, що охоплює 84 000 нейронів та близько 500 мільйонів їхніх з'єднань (синапсів), отриманий з фрагмента мозку розміром не більше макового зернятка, був опублікований 9 квітня 2025 року у престижному науковому журналі Nature. Для досягнення цього результату вчені використали мишу, яка переглядала відеофрагменти, зокрема з культового фільму «Матриця».

Масштабний набір даних, представлений у вигляді тривимірної реконструкції, де різні нейронні ланцюги позначені кольором, тепер доступний для науковців усього світу для подальших досліджень, а також для всіх охочих зазирнути в дивовижний мікросвіт мозку. Ця робота є важливим етапом у розумінні того, як функціонують наші власні мізки, і може прокласти шлях до нових відкриттів у лікуванні неврологічних та психічних розладів.

«Це, безумовно, викликає почуття благоговіння, так само як розгляд фотографій галактик», — ділиться враженнями Форрест Коллман з Інституту Аллена з вивчення мозку в Сіетлі, один із провідних дослідників проєкту. «Ви усвідомлюєте, наскільки складно влаштовані. Ми дивимося на одну крихітну частинку… мозку миші, і бачимо красу та складність цих реальних нейронів та сотень мільйонів зв'язків між ними».

Наші думки, почуття, зір, мова та рухи є результатом складної взаємодії нейронів — нервових клітин мозку. Вони активуються та надсилають повідомлення один одному. Вже давно відомо, що ці сигнали передаються від одного нейрона вздовж спеціалізованих відростків — аксонів та дендритів — і «перестрибують» до наступного нейрона через спеціальні контакти, які називаються синапсами. Однак значно менше відомо про те, які саме мережі нейронів відповідають за виконання конкретних завдань, і як порушення в цих «електричних схемах» можуть бути пов'язані з такими захворюваннями, як хвороба Альцгеймера, аутизм чи інші розлади.

«Можна висунути тисячу гіпотез про те, як клітини мозку могли б виконувати свою роботу, але ви не зможете перевірити ці гіпотези, якщо не знаєте, можливо, найфундаментальнішої речі — як ці клітини з'єднані між собою», — пояснює вчений з Інституту Аллена Клей Рід, один із піонерів використання електронної мікроскопії для вивчення нейронних зв'язків.

У рамках нового проєкту, що об'єднав понад 150 дослідників з усього світу, було здійснено детальне картографування нейронних зв'язків у ділянці зорової кори мозку миші. Форрест Коллман порівнює ці переплетені відростки нейронів зі сплутаними спагеті.

Першим етапом дослідження став експеримент, проведений командою з Медичного коледжу Бейлора. Вони показували миші короткі відеофрагменти з науково-фантастичних фільмів, спортивних змагань, анімації та природи. Миша була генетично модифікована таким чином, що її нейрони містили спеціальний білок, який починав світитися під час їхньої активації. Використовуючи потужний лазерний мікроскоп, вчені змогли в реальному часі записувати, як окремі клітини в зоровій корі тварини «спалахували» під час обробки зображень, що миготіли перед її очима. Це дозволило отримати функціональну складову карти — дані про активність нейронів під час виконання конкретного завдання (обробки візуальної інформації).

Наступний крок здійснили вчені з Інституту Аллена. Вони взяли невеликий фрагмент мозкової тканини (розміром з макове зернятко) з тієї самої ділянки, де реєструвалася активність, і за допомогою спеціального інструменту нарізали його на понад 25 000 надзвичайно тонких шарів, кожен з яких був набагато тоншим за людську волосину. Потім, використовуючи електронні мікроскопи, вони зробили майже 100 мільйонів зображень цих зрізів із надвисокою роздільною здатністю. Це дозволило візуалізувати ті самі «спагеті» — тонкі відростки нейронів — та їхні контакти-синапси. Згодом ці мільйони двовимірних зображень були ретельно зіставлені для створення тривимірної структурної реконструкції.

Нарешті, вчені з Прінстонського університету використали алгоритми штучного інтелекту для автоматичного відстеження всіх цих нейронних «проводів» на тривимірній реконструкції. «ШІ допоміг розфарбувати кожен окремий провід у свій колір, щоб ми могли ідентифікувати їх індивідуально», — пояснює Коллман. За їхніми оцінками, якби всі ці мікроскопічні «проводи» з дослідженого фрагмента вдалося витягнути в одну лінію, її довжина склала б понад 5 кілометрів. Найважливішим досягненням стало те, що вчені змогли зіставити цю детальну анатомічну структуру з даними про активність нейронів миші під час перегляду фільмів. Це дозволило не просто побачити «схему», а й зрозуміти, як саме ця нейронна мережа працювала під час обробки візуальної інформації.

Дослідники з Прінстона також створили цифрові 3D-копії отриманих даних, які тепер доступні іншим науковцям для розробки нових досліджень та перевірки власних гіпотез. Чи допоможе таке детальне картографування зрештою знайти ліки від хвороб мозку? Дослідники називають свою роботу фундаментальним кроком, порівнюючи її з проєктом «Геном людини», який надав першу повну карту генів людини і з часом призвів до розробки генної терапії. Наступною амбітною метою є створення повної функціональної карти всього мозку миші.

«Технології, розроблені в рамках цього проєкту, дадуть нам перший реальний шанс виявити певні аномальні патерни зв'язків, які призводять до розладів», — заявив інший провідний дослідник проєкту, нейронауковець та комп'ютерний вчений з Прінстона Себастьян Син.

Нейронауковці з Гарварду Маріела Петкова та Грегор Шукнехт, які не брали участі в проєкті, високо оцінили його результати. Вони написали, що ця робота «знаменує собою значний стрибок уперед і пропонує безцінний ресурс для спільноти для майбутніх відкриттів». Величезний обсяг даних, що перебуває у відкритому доступі, «допоможе розгадати складні нейронні мережі, що лежать в основі пізнання та поведінки», — додали вони.

Робота проводилася консорціумом MICrONS (Machine Intelligence from Cortical Networks) за фінансової підтримки ініціативи BRAIN Національних інститутів здоров'я США (NIH) та IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity) — агентства передових дослідницьких проєктів розвідки США. Цей проєкт є яскравим прикладом того, як поєднання передових технологій візуалізації, генетичної інженерії та штучного інтелекту дозволяє зазирнути глибше в таємниці мозку, відкриваючи нові горизонти для нейронауки.