10 лет, 166 000 нейронов и 125 млн связей: Google Research полностью картировала мозг самца дрозофилы

Учёные из Google Research получили полный коннектом взрослого самца плодовой мушки Drosophila melanogaster. В карту вошли более 166 000 нейронов и около 125 млн синаптических связей, а работа заняла примерно 10 лет.

В карту вошли мозг и брюшная нервная цепочка, которая функционально похожа на спинной мозг у человека. Это позволяет проследить путь сигнала дальше мозга, вплоть до нейронов, управляющих движениями тела.

Чтобы собрать эту карту, исследователи разделили мозг и тело мухи на миллионы тонких срезов и изучили их с помощью электронной микроскопии. Затем вычислительные методы и искусственный интеллект объединили миллионы двумерных изображений в единую трёхмерную реконструкцию нервной системы и помогли определить границы отдельных нейронов. После этого итоговую карту проверили и разметили.

Получившаяся структура позволяет проследить отдельные нейронные цепи по шагам. Один из примеров начинается с фоторецепторов, проходит через несколько промежуточных нейронов и заканчивается на двигательном нейроне. Среди таких цепей есть и визуально-моторные пути, связанные с поведением самца.

Различия между самцами и самками дрозофилы

Авторы отдельно отмечают, что карта оказалась полезной для изучения различий между самцами и самками. Большинство типов нейронов у них совпадает, но часть клеток встречается только у одного пола. Есть и промежуточный вариант: один и тот же тип нейрона есть у обоих полов, но он соединён с разными соседними клетками.

Половые различия могут определяться не только набором нейронов, но и тем, как они связаны между собой. В одном из показанных примеров цепочка проходит через специфичный для самцов тип нейрона, связанный с обработкой сигналов, участвующих в ухаживании.

Полная карта самца дополнила ранее созданный коннектом самки дрозофилы. Теперь исследователи могут сравнивать нервные системы двух полов на уровне отдельных клеток и их связей.

Применение коннектома дрозофилы

Вместе с новой картой опубликованы три исследования, посвящённые зрению, вкусовой системе и социальному поведению насекомых. Авторы рассчитывают использовать этот массив данных как основу для следующих экспериментов и улучшать методы автоматической реконструкции.

Сейчас даже сравнительно небольшой мозг требует значительного объёма ручной проверки, поэтому такие проекты остаются трудоёмкими. Дрозофила при этом давно считается одним из основных модельных организмов биологии благодаря короткому жизненному циклу и хорошо изученной генетике.

Полная карта взрослого самца показывает, как можно переходить от отдельных участков нервной системы к её целостной структуре. Для человеческого мозга с примерно 86 млрд нейронов такие методы пока недостижимы, поэтому подобные работы на малых организмах остаются самым практичным способом двигаться дальше.