Исследователи из Гарварда объединились с Google для анализа структуры мозга, большая часть которой еще не изучена.

Ученые реконструировали электрическую схему фрагмента человеческого мозга с беспрецедентной детализацией, выявив новые причуды и сложности в том, что многие считают самым сложным объектом в известной Вселенной.

Исследователи из Гарварда объединились с экспертами в области машинного обучения из Google, чтобы составить карту нейронных схем, связей, поддерживающих клеток и кровоснабжения в кусочке здоровой ткани, удаленной из коры головного мозга 45-летней женщины, перенесшей операцию по поводу эпилепсии.

Кусочек мозга составлял всего лишь кубический миллиметр ткани, но разработка проводки по-прежнему представляла собой огромную задачу для команды. На снимках более 5000 срезов образца, полученных с помощью электронного микроскопа, было обнаружено 57 000 отдельных клеток, 150 миллионов нейронных связей и 23 сантиметра кровеносных сосудов.

«Цель состояла в том, чтобы получить представление в высоком разрешении об этой самой загадочной области биологии, которую каждый из нас носит на своих плечах», — сказал Джефф Лихтман, профессор молекулярной и клеточной биологии в Гарварде. «Причина, по которой мы не делали этого раньше, заключается в том, что это чертовски сложно. Это действительно было невероятно трудно сделать».

Разрезав ткань на пластины толщиной менее чем в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса, исследователи сделали снимки каждой из них с помощью электронного микроскопа, чтобы запечатлеть детали структуры мозга вплоть до наноразмерных размеров, или тысячных долей миллиметра. Затем алгоритм машинного обучения проследил пути нейронов и других клеток по отдельным участкам — кропотливый процесс, на который у человека ушли бы годы. Изображения содержали 1,4 петабайта данных, что эквивалентно 14 000 полнометражных фильмов в разрешении 4k.

«Мы нашли в этом наборе данных много такого, чего нет в учебниках», — сказал Лихтман. «Мы не понимаем этих вещей, но я могу сказать вам, что они указывают на то, что существует пропасть между тем, что мы уже знаем, и тем, что нам нужно знать».

В одном удивительном наблюдении так называемые пирамидальные нейроны, у основания которых выступают большие ответвления, называемые дендритами, продемонстрировали любопытную симметрию: одни из них были направлены вперед, а другие назад. На других снимках были видны плотные переплетения аксонов, тонких волокон, которые передают сигналы от одной клетки мозга к другой, как будто они застряли на кольцевой развязке, прежде чем найти правильный выход и продолжить свой путь.

Карта также выявила редкие случаи, когда нейроны устанавливали чрезвычайно прочные связи с другими клетками. Во всем объеме мозговой ткани более 96% аксонов устанавливали только одну связь с клеткой-мишенью, а 3% — две. Но некоторые из них установили десятки связей, а в одном случае более 50, с соседней ячейкой.

Лихтман предположил, что такие прочные связи могут помочь объяснить, почему хорошо усвоенные действия, такие как снятие ноги с педали газа и нажатие на тормоз на красный сигнал светофора, после достаточной практики практически не требуют обдумывания. «Я думаю, что эти мощные связи могут быть частью системы усвоения информации и того, как обучение выглядит в мозге», — сказал он. Команда делает карту доступной для использования другими исследователями.

На данный момент исследователи даже не задумываются о составлении карты всего человеческого мозга. Задача слишком сложна с технологической точки зрения, а здоровый человеческий мозг не растет на деревьях. Вместо этого, следующим проектом будет сотрудничество нескольких университетов с Google по реконструкции структуры всего мозга мыши. Это могло бы пролить свет на мозговые цепи, которые заставляют мышь двигаться к швейцарскому сыру, и, в свою очередь, на то, что заставляет человека останавливаться возле пекарни. «Вы бы получили некоторое представление о том, как человеческая воля управляется сенсорным опытом», — сказал Лихтман. «Если у вас мозг мыши в целом, то есть действительно замечательные возможности получить представление даже о свободе воли», — сказал Лихтман. «Вы знаете, мышь — это не робот».

Похожие записи:

Врачи воодушевлены ранней стадией испытания терапии рассеянного склероза стволовыми клетками 20-секундная жизнь: Генри Молисон – человек, который всё забывал Подумайте о том, как ваши любимые закуски могут повредить вашему мозгу – эксперты рассказали о продуктах, с которыми вам следует быть осторожнее Исследование показывает, что вратари воспринимают мир по-другому Исследование предполагает, что «мозговой туман» от длительного Covid оказывает измеримое воздействие