Ученые составили полную карту мозга дрозофилы

Полное описание структуры связей в мозге или нервной системе в целом называется коннектомом. Он во многом определяет способности организма к восприятию и сложному поведению. Недавно ученым удалось разобраться в коннектоме личинки дрозофилы, включая головной мозг и нервную цепочку, охватив в общей сложности 3016 нервных клеток и около 548 тысяч синапсов — связей между ними. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

До сих пор такую работу удавалось проделать лишь для совсем примитивных организмов, нервная система которых включает не более нескольких сотен нейронов, таких как нематоды C. elegans (302 нейрона и 7600 синапсов) и асцидии (177 нейронов и 6618 синапсов). Продолжается картографирование коннектома взрослых дрозофил, и пару лет назад ученые описали его часть. Однако новая статья предоставила первый пример полностью картографированной нервной системы насекомого, пусть пока и «недоразвитой» личинки.

Майкл Виндинг (Michael Winding) и его коллеги из Кембриджского университета кропотливо исследовали срезы мозга личинок дрозофил в возрасте шести часов под электронным микроскопом. Вся структура занимает лишь 170 х 160 х 70 микрометров объема. Данные микроскопии сводили воедино с помощью ПО, специально разработанного в Университете Джонса Хопкинса. Компьютерная система автоматически распознавала разные типы нейронов и синапсов, позволяя определять нервные паттерны, связанные с разными функциями.

Уже первый анализ полученной «карты мозга» принес несколько неожиданных находок. Во-первых, ученые отметили большое число зигзагообразных нейронных путей, которые перескакивают из одного полушария в другое. Во-вторых, обнаружилось, что лишь около двух третей от всех связей между нейронами представляют собой классические синапсы, соединяющие аксон передающей сигнал клетки с дендритом воспринимающей. Целая треть приходится на «неканонические» взаимодействия: аксон с аксоном, дендрит с дендритом, дендрит с аксоном. Такие варианты были известны и прежде, но никто не думал, что они могут быть настолько распространены.

Как и ожидалось, коннектом дрозофилы демонстрирует не только слоистую структуру, включающую несколько «уровней» нейронов, но и сегментированность. В частности, клетки, связанные с обработкой данных той или иной модальности (запах, зрение и тому подобное) объединены в отдельные группы. В некоторых областях, особенно связанных с обучением, контакты между нервными клетками многократно усилены параллельными и обратными связями. Такая структура напоминает остаточные искусственные нейронные сети, которые сегодня ученые активно разрабатывают и применяют.

Стоит заметить, что на выяснение коннектома нематод ушло 14 лет, а дрозофил — 12 лет. При этом мозг мыши в миллионы раз крупнее, чем у насекомых, а человеческий — еще на порядки больше и сложнее. Когда ученые смогут определять коннектом настолько масштабных нервных систем и сколько времени займет такая работа — неизвестно.