Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (фр. École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL), разрабатывающие Blue Brain Project, объединили два больших массива данных для создания первого проекта модели правил, определяющих нейрон-нейронное взаимодействие в неокортексе мыши. Они создали статистически достоверный пример микроконнектома из 10 миллионов нейронов, содержащий 88 миллиардов синаптических соединений. Этот объединённый массив может стать основой для самого масштабного в мире моделирования точных нейронных контуров.
Структура синаптических связей между нейронами обусловливает их активность и функции. Измерение моментального снимка коннектома, включающего такое множество аспектов, до сих пор производилось только в небольшом объёме — меньше булавочной головки. Бо́льшие объёмы конфигураций нейрональных связей с большим радиусом действия, образованных пучками очень тонких, но длинных волокон, изучались только для отдельных нейронов, что не способствовало формированию общей картины. В качестве альтернативы коннектом был изучен на макроуровне, с учётом приближённых, средних характеристик, не предполагавших разрешения с масштабом в одну клетку.
В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи из Blue Brain Project показали, что можно объединить эти два подхода. Совместив данные из двух новых наборов данных — Allen Mouse Brain Connectivity (Атлас межнейронных связей мозга мыши Аллена) и Janelia MouseLight, — исследователи определили некоторые из ключевых правил, задающих формирование связей на больших расстояниях в неокортексе. Это стало возможным благодаря тому, что оба набора данных дополняли друг друга с точки зрения цельности неокортекса и клеточного разрешения.
Опираясь на результаты предыдущей работы по моделированию местных мозговых цепей, исследователи смогли параметризовать принципы неокортикальных межнейронных связей и создать статистические примеры соединения, совместимые с ними. Изучая полученную структуру, они обнаружили нечто интересное: при хорошем клеточном разрешении оказалось, что сложнейшая структура, прежде различимая только между соседними нейронами, связывает нейроны в разных регионах и на противоположных концах мозга. Это сопоставимо с правилом самоподобия, ранее обнаруженном на человеческом мозге (с помощью данных МРТ) и позволяет предположить, что новое правило распространяется до уровня отдельных нейронов.
«Мы смогли создать подобный черновой набросок коннектома мышиного неокортекса, усовершенствовав алгоритмы нашего предыдущего проекта реконструкции схемы соматосенсорной коры, — говорит исследователь Михаэль Райманн (Michael Reimann). — В новой версии улучшено размещение нейронов в атласе мозга посредством определения их положения в трёхмерном пространстве, вместо того, чтобы располагать их в гексагональных призмах, была учтена геометрия и клеточный состав отдельных областей мозга. Чтобы начать процесс итеративного уточнения, мы выложили модель и полученные данные в открытом доступе. Параметризированные ограничения на достоверность прогнозируемых показателей, картирование, профили уровня и индивидуальное нацеливание на аксоны (то есть набор правил для прогнозирования), а также стохастические реализации микроконнектомов всего неокортекса можно найти на Blue Brain Portal».
Этот коннектом, будучи выложенным в открытый доступ, может стать мощной нулевой моделью для сравнения результатов экспериментов с симуляциями точных нейронных сетей мозга в целом. Разреженные матрицы соединений в нескольких примерах прогнозируемой нулевой модели неокортикальных межнейронных связей с большим радиусом охвата также находятся в открытом доступе, их результаты демонстрируют преимущества того, чтобы выкладывать наборы данных в открытый доступ.
Метод моделирования позволил учёным нацеливаться на объёмы, на несколько порядков меньшие, чем это было бы возможно при использовании экспериментальных методов. Вплоть до раздражения отдельных нейронов с субклеточным разрешением. В дальнейшем это позволит моделировать электрическую активность как отдельных нейронов, так и целых областей или всего неокортекса.
«Эта публикация основана на предыдущих работах Blue Brain по оценке морфологических ограничений межнейронных связей, — поясняет директор Blue Brain Генри Маркрам (Henry Markram). — Полученные результаты позволяют увеличить скорость проведения экспериментов, и теперь мы сможем построить биологически точные модели мозга в большем разрешении, что поспособствует продвижению моделирования».