Начав с крошечного образца ткани размером не более песчинки, учёные вплотную приблизились к цели, некогда считавшейся недостижимой: составлению полной функциональной принципиальной схемы части мозга.
В 1979 году прославленный молекулярный биолог Фрэнсис Крик утверждал, что «[невозможно] создать точную схему соединений и активизации нейронов кубического миллиметра ткани мозга». Но за последние семь лет международная команда более чем 150 неврологов и других специалистов приблизила такую возможность.
В ходе реализации проекта MICrONS составлена наиболее детализированная на данный момент принципиальная схема мозга млекопитающих. Учёные опубликовали находки (см. https://www.nature.com/collections/bdigiaicbd) из этого массивного ресурса данных в сборнике из десяти исследований в семействе журналов Nature.
Принципиальная схема и её данные, находящиеся в бесплатном доступе в приложении MICrONS Explorer, весят 1,6 петабайтов (это как 22 года безостановочного видео в формате HD), и предоставляют недоступные ранее сведения о функционировании мозга и организации зрительной системы.
«Достижения MICrONS, опубликованные в этом специальном выпуске Nature — эпохальный момент в неврологии, по своему новаторскому потенциалу сравнимый с Проектом человеческого генома», — говорит Давид А. Марковиц, Ph.D., бывший управляющий программами IARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Национальной разведки США — прим. перев.), который координировал эту работу.
«Долгосрочное инвестирование IARPA в программу MICrONS разрушило существовавшие до того технологические ограничения, создав платформу для изучения взаимоотношений между структурой и функционированием нейронов в масштабах, необходимых для понимания разума. Это достижение обосновывает наш целенаправленный подход к исследованию и готовит почву для будущего масштабирования до уровня мозга в целом».
Учёные из Колледжа медицины Бэйлора начали с того, что с помощью специальных микроскопов фиксировали мозговую активность одного кубического миллиметра визуальной коры мыши в то время, когда животное просматривало различные ролики на YouTube. После этого исследователи из Института Аллена взяли тот же кубический миллиметр мозга и разрезали его на более чем 25 долей, каждый толщиной в 1/400-ю человеческого волоса, и использовали массив электронных микроскопов, чтобы сделать снимки каждого среза в высоком разрешении.
Наконец, ещё одна группа из Принстонского университета воспользовалась искусственным интеллектом и машинным обучением, чтобы воссоздать клетки и связи в 3D-объёме. В сочетании с записью активности мозга, в результате получилась крупнейшая на данный момент принципиальная схема и функциональная карта мозга, в которой содержатся более 200000 клеток, четыре километра аксонов (ответвлений, тянущихся к другим клеткам) и 523 миллиона синапсов (точек соединения между клетками).
«Внутри этой крохотной песчинки — целая архитектура, как чудесный лес», — говорит Клэй Рид, Ph.D., старший исследователь и один из первых основателей коннектомики в электронной микроскопии, который внедрил эту область науки в Институте Аллена 13 лет назад. «Здесь присутствуют всевозможные правила и связи, о которых мы узнали из различных разделов неврологии, и в ходе самого проекта мы можем проверить старые теории и надеемся обнаружить нечто новое, ранее никем не виданное».
Новый взгляд на функционирование и организацию мозга
Данные исследований обнаружили новые клеточные типы, характеристики, организационные и функциональные принципы и новый способ классификации клеток. Среди наиболее удивительных находок было открытие нового принципа ингибирования в мозге. Ранее учёные считали ингибирующие клетки, подавляющие нервную деятельность, простой силой, заглушающей деятельность других клеток. Но исследователи обнаружили куда более изощрённый уровень коммуникации: клетки-ингибиторы действуют не по случайному принципу; они очень избирательны в отношении того, какие эффекторные клетки они подавляют, и они образуют полномасштабную систему координирования и взаимодействия. Некоторые клетки-ингибиторы работают сообща, подавляя множество эффекторных клеток, в то время как другие действуют более точечно, нацеливаясь только на специфические типы клеток.
«Во многих смыслах это — будущее», — объясняет Андреас Толиас, Ph.D, один из ведущих учёных, работавших над этим проектом как в Медицинском колледже Бэйлора, так и в Стэнфордском университете. «MICrONS станет вехой в нашем строительстве базовых моделей мозга, в которые входят множество уровней анализа, начиная с поведенческого уровня до понятийного уровня нервной деятельности и даже до молекулярного уровня».
Что это значит для науки и медицины
Понимание формы и функционирования мозга, а также способность анализировать мельчайшие связи между нейронами в беспрецедентном масштабе открывает новые возможности для исследования мозга и интеллекта. Это также важно для таких расстройств как болезни Альцгеймера и Паркинсона, аутизма и шизофрении, в которых имеются нарушения нервных связей.
«Если у вас есть сломанный радиоприёмник и принципиальная схема, вам проще починить его», — говорит Нуно да Коста, Ph.D, научный сотрудник в Институте Аллена. «Мы предоставляем Google-карту или чертёж этой песчинки. В будущем мы можем использовать это для сравнения коммутации мозга у здоровой мыши с коммутацией мозга в модели болезни».
Сотрудничество без границ
Проект MICrONS — результат сотрудничества более 150 учёных и исследователей из Института Аллена, Принстона, Гарварда, Медицинского колледжа Бэйлора, Стэнфорда и многих других учреждений.
«Такая масштабная наука на уровне исследовательских групп требует масштабного сотрудничества», — говорит Форрест Коллман, Ph.D, замдиректора по данным и технологиям Института Аллена. «Здесь требуется, чтобы люди мыслили масштабно и соглашались заниматься решением задач, которые на первый взгляд нерешаемы, и именно так происходят прорывы».
Это международное сотрудничество стало возможным благодаря поддержке Управления перспективных исследовательских проектов Национальной разведки США (IARPA) и Программы «Исследования мозга с помощью передовых инновационных нейротехнологий®» (The BRAIN Initiative®) Национальных институтов здоровья.
«BRAIN Initiative играет критическую роль в привлечении учёных из различных дисциплин для выполнения сложных исследований, которые невозможно проводить по отдельности», — говорит Джон Нгаи, PhD, директор BRAIN Initiative. Основополагающие структурные элементы науки, такие как устройство мозга, — та основа, которая нам необходима, чтобы лучше понимать повреждения и заболевания мозга, чтобы способствовать скорейшему проведению клинических исследований медикаментов».
Карта нейронных связей, форм и функций из части мозга размером с песчинку — не просто чудо науки, но и шаг по направлению к пониманию ускользающих истоков мысли, эмоций и сознания. «Невозможная» задача, впервые обозначенная Фрэнсисом Криком в 1979 году, ещё на один шаг приблизилась к тому, чтобы стать действительностью.
Дополнительные материалы (на английском языке):
Attempting the impossible: A 20-year journey to learn the language of the brain:
https://alleninstitute.org/news/learning-the-language-of-the-brain/
The MiCRONS project: dense reconstruction of functional and anatomical information in sensory brain:
https://www.nature.com/immersive/d42859-025-00001-w/index.html
Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS) Project: https://www.microns-explorer.org/