Дрозофилы, или плодовые мушки — отличный материал для исследований. Просто потому, что они очень быстро размножаются, давая потомство, и эволюционные изменения можно отслеживать в течение недель, а не месяцев или лет.
Пригодились эти мушки и ученым, которые занимаются изучением мозга. Поскольку ганглий у этих насекомых небольшой, то и отсканировать его можно без особых проблем. На днях ученые из Janelia Research Campus опубликовали результат своей 12-летней работы — карту мозга дрозофилы, самую подробную на текущий момент.
Janelia Research Campus — часть Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute). Команда университета потратила 12 лет и $40 млн долларов на то, чтобы составить карту мозга крошечной мушки. Это 25 тысяч нейронов и около 20 млн связей между ними. И даже это не весь мозг, а лишь треть его, хотя и самая важная. В ней размещаются различные органоиды, ответственные за память, навигацию и обучение.
По словам исследователей, коннектом мозга (это карта органа со всеми связями между ними) станет одним из базовых ресурсов для нейрохирургов и ученых, которые занимаются исследованиями нервной системы насекомых и других живых существ. Расшифровка мозга небольшой мушки позволяет судить о работе отдельных органоидов, о том, как устроены связи и вообще как работает мозг.
От простого к сложному — так действуют сейчас ученые. Современные технологии все еще не позволяют создать сколь-нибудь подробный коннектом мозга человека, поэтому изучается мозг гораздо более простых созданий. К слову, первым живым организмом, чей мозг был «расшифрован», стала нематода. Ее нервный узел состоит всего из 302 нейронов с 7 тысячами соединений между ними. Даже это было крайне сложной работой для 1986 года.
Постепенно специалисты получают все больше информации о работе мозга животных и человека. Но одна из наиболее важных задач — составление коннектом. Это настолько же важная работа, как и расшифровка ДНК. Составление коннектом дает возможность отслеживать взаимодействие отдельных органоидов и клеток.
В 2004 году была разработана методика анализа изображений нейронов, полученных электронным микроскопом. Это было серьезным достижением, которое в разы ускорило «расшифровку» мозга. Но даже в этом случае мозг дрозофилы потребовал сил 250 человек — именно столько ученых работало над этим проектом в течение 12 лет.
Все это время методика совершенствовалась и дорабатывалась. В итоге получилось достичь того, что изображения, полученные электронным микроскопом, преобразовывались в трехмерную карту мозга. Мозг дрозофилы, чтобы получить изображения нейронов, пришлось разрезать на тонкие пластинки толщиной в 20 нм. Именно их и фотографировали.
После того, как появились нейросети, ученые их использовали для составления трехмерных карт участков мозга с отслеживанием связей между отдельными клетками. Но компьютер не может выполнить всю необходимую работу — здесь нужно участие ученых, как для проверки работы машины, так и для выполнения «ручных» задач, с которыми компьютер пока справиться не в состоянии.
Ученым помогали разработчики из Google, которые и создали нужные специалистам системы анализа. Итоговый результат получился крайне объемным — массив данных «весит» около 100 гигабайт.
С Google сотрудничают и другие ученые, создающие коннектомы. Например, в рамках проекта изучения мозга певчих птиц. Сам по себе мозг пернатых очень сложен, так что в ближайшем обозримом будущем коннектомы вряд ли появятся. Ученые изучают отдельные аспекты работы и участки мозга — например, те, что отвечают за запоминание песен. Кроме того, ранее был проанализирован участок мозга мыши объемом в кубический миллиметр.
Что касается специалистов, которые составляют коннектомы мозга дрозофил, они продолжают работать. Их цель — составление полной коннектомы мозга плодовой мушки — как самца, так и самки. На это выделен бюджет в $5 млн.
Если расшифровывать мозг мыши, то на это, по словам ученых, понадобится свыше полумиллиарда долларов США и еще больше времени.
