Как мозг мухи помогает понять поведение человека

Биологам впервые удалось сопоставить микроструктуру мозга мух обоего пола, зафиксировав анатомические особенности, которые обуславливают склонность самцов к агрессии, специфические стратегии ухаживания и характерные брачные серенады. Специалисты из Кембриджа успешно отсканировали и нанесли на карту все 124 миллиона синаптических контактов в центральной нервной системе самца. Напомним, что аналогичный атлас женского мозга был создан ими двумя годами ранее. Авторы исследования акцентируют внимание на том, что полученные данные нельзя напрямую экстраполировать на людей ввиду колоссальной сложности человеческой психики. Тем не менее, эта фундаментальная работа способна пролить свет на механизмы, с помощью которых генетические вариации влияют на формирование нейронных сетей при таких патологиях, как аутизм и шизофрения.

Один из идеологов проекта, профессор Кембриджского университета и Лаборатории молекулярной биологии MRC Грегори Джефферис охарактеризовал этот прорыв в интервью BBC News как знаковое событие для всей нейробиологии. Он провел параллель с появлением принципиально нового оптического прибора, открывающего неизведанные горизонты микрокосма. По его словам, человеческий разум — это грандиозный инструмент, способный воплощать в жизнь невероятные замыслы, от исполнения сложных музыкальных произведений до решения фундаментальных научных задач, и подобные исследования приближают нас к пониманию принципов его функционирования.

Нервная система дрозофилы поражает воображение своей филигранной организацией. При размерах не крупнее булавочного ушка она демонстрирует вычислительную эффективность, превосходящую возможности мощнейших суперкомпьютеров и передовых систем искусственного интеллекта.

Команда под руководством Джеффериса с ювелирной точностью исследовала каждый нейрон, аксон и синапс в организме плодовой мушки мужского пола. На основе этих данных была построена детальная трехмерная модель мозга и брюшной нервной цепочки, которую затем сопоставили с женским аналогом. Выяснилось, что базовый клеточный состав совпадает на 95%. Однако оставшиеся 5% различий формируют совершенно разные поведенческие паттерны, отмечает соавтор работы доктор Изабелла Беккет, чья статья вышла в свежем выпуске журнала Cell. По ее словам, исследователи рассчитывали обнаружить несхожесть и теперь всецело удовлетворены результатами.

Даже минимальные отклонения в структуре способны вызывать кардинальные изменения в поведении. Так, в процессе ухаживания самец неотступно преследует перемещающуюся самку. Ученые локализовали отвечающие за это нейроцепи и выявили ключевые архитектурные расхождения: у мужских особей обнаружены специализированные микросхемы, оптимизирующие визуальный трекинг объекта.

Еще более очевидны контрасты в контурах, ответственных за проявление агрессии. Поскольку самцы вступают в конфликты значительно чаще, объем соответствующих нейронных путей у них развит намного сильнее.

Наконец, уникальным элементом является контур брачной песни. Самцы привлекают партнеров звуковыми сигналами, для генерации которых у них предусмотрены специфические нервные пути, полностью отсутствующие у самок. Как поясняет доктор Филипп Шлегель, задействованный в исследовании, этот механизм требует абсолютной прецизионности, иначе кавалера ждет суровое разочарование.

«Ритуал ухаживания неотделим от вокализации, — поясняет он. — Звук рождается благодаря определенной частоте вибрации крыльев, создающей уникальный акустический рисунок. Если композиция приходится самке по вкусу, она подпускает самца ближе; если же она не настроена на контакт или отвергает ухаживания, последствия могут быть весьма суровыми — вплоть до физического отпора».

Все выявленные анатомические вариации между полами задаются парой ключевых регуляторных генов. Научному сообществу давно было известно об их существовании и связи с конкретными типами поведения, однако недоставало промежуточного звена. Данная работа впервые позволила воочию увидеть физическую архитектуру синапсов, формирующуюся под воздействием этих генетических факторов.

Приоритетом исследователей было вовсе не составление гендерного портрета насекомых и тем более не попытка перенести зоологические наблюдения на модели человеческого социума.

Сопоставление двух практически идентичных мозговых матриц с точечными вариациями в нейронной сети, коррелирующими с поведенческими паттернами, открывает перед наукой уникальные перспективы, подчеркивает доктор Беккет. Наличие всего одной независимой переменной — биологического пола — превращает этот объект в идеальную модель для глубинного анализа.

Полученные результаты знаменуют собой колоссальный прорыв в разгадке фундаментальной биологической тайны: каким образом генетический код трансформируется в поведение. Связь между ними была очевидна десятилетиями, однако механизм ее реализации оставался туманным. По словам доктора Джеффериса, разгадка кроется в том, как гены конструируют синаптическую сеть, определяющую реакции организма.

«Сравнительный анализ мужской и женской нервной системы насекомых дает нам мощнейший инструмент для понимания этих процессов, — отметил он в беседе с BBC News. — Ряд поведенческих особенностей человека имеет выраженную генетическую предрасположенность. Например, современной науке известны многочисленные маркеры шизофрении и аутистических расстройств, но трансляция этих генетических поломок в клиническую картину до сих пор изучена слабо».

Профессор Джефферис также допускает, что интерпретация этих данных найдет практическое применение в сфере искусственного интеллекта и вычислительной техники.

«Чтобы искусственные нейросети достигли эффективности живого разума, инженерам придется заимствовать больше готовых решений из живой природы. Биологические коннектомы могут стать неисчерпаемым источником вдохновения. Уже сейчас некоторые исследовательские группы интегрируют цифровую модель мозга мухи в архитектуру искусственных сетей, проверяя, способно ли это оптимизировать обучение и контроль над компьютерными алгоритмами».

В масштабном проекте также приняли участие специалисты исследовательского кампуса HHMI Janelia под руководством профессора Джерри Рубина, междисциплинарная группа Drosophila Connectomics Кембриджского университета, эксперты Google Research и научного фонда Шампалимо.

Источник