Нейробиологи впервые объединили мозг и тело мухи в единую карту
В журнале Nature опубликовано исследование международной группы ученых из Гарвардской медицинской школы и Принстонского университета, в котором впервые создана полная схема связей нейронов центральной нервной системы взрослой плодовой мухи.
Речь идет о коннектоме — детальной карте всех нейронных соединений, включающей мозг и нервный тяж, управляющий движениями конечностей и обработкой сенсорной информации. Данные доступны в открытом доступе.
Мозг и тело как единая система
Новая карта позволяет рассматривать нервную систему не как иерархию с центральным управлением, а как распределенную сеть.
«Впервые мы можем увидеть все нейроны и их связи как единое целое и задаться вопросом: „Что мы можем из этого узнать?“», — сказала Рейчел Уилсон из Гарвардской медицинской школы.
Анализ показал, что значительная часть поведения мух формируется локальными нейронными цепями, расположенными ближе к органам движения, а не исключительно в мозге.
«Крайне важно иметь максимально полную коннектому центральной нервной системы, чтобы мы могли связать мозг и тело и начать рассматривать поведение целостно», — отметил Вэй-Чун Аллен Ли.
Как устроен коннектом
Проект основан на данных о дрозофиле — модели, широко используемой в нейробиологии. У нее около 160 тысяч нейронов, но поведение включает сложные формы активности: движение, обучение, социальные реакции.
Ранее консорциум FlyWire под руководством Малы Мурти и Себастьяна Сынга опубликовал карту мозга. Новая работа дополнила ее нервным тяжем, фактически связав мозг с телом.
Исследователи подчеркивают, что без такого объединения невозможно понять, как информация проходит от органов чувств к действию.
Локальные цепи вместо центрального управления
Один из ключевых результатов — пересмотр роли мозга в управлении движением.
Ученые обнаружили, что управление поведением часто происходит на уровне локальных нейронных контуров. Например, движение одной лапки контролируется ее собственной сетью, которая затем координируется с другими конечностями.
То же касается крыльев и других органов. Центральный мозг в этой модели скорее координирует, чем директивно управляет.
«Наши выводы свидетельствуют о том, что контроль над действиями в значительной степени распределен в локальных модулях, которые связаны между собой и взаимодействуют различными способами», — отметил Александр Бейтс.
Как создавали карту
Для построения коннектома ученые разрезали нервную систему мухи на тысячи тонких слоев и исследовали их с помощью электронной микроскопии. Затем применялись алгоритмы искусственного интеллекта для сборки трехмерной модели.
Полученная сеть описывает связи на уровне отдельных синапсов и позволяет проследить пути передачи сигналов по всей центральной нервной системе.
Зачем это нужно
Коннектом работает как биологическая «карта маршрутов». Он позволяет проверять гипотезы о том, как формируется поведение, и сравнивать их с экспериментами.
По словам исследователей, многие прежние представления о работе нервной системы оказались упрощенными. Теперь можно строить более точные модели и проверять их напрямую.
Авторы считают, что аналогичный принцип распределенного контроля может встречаться и у других видов, включая млекопитающих.
Часть команды уже изучает мышей, чтобы проверить эту гипотезу.
Кроме нейробиологии, данные могут быть полезны для разработки искусственных систем управления. Коннектом дает примеры того, как сложное поведение может возникать из множества локальных взаимодействий без единого центра управления.
«Меня всегда поражает, что эта крошечная муха делает невероятно много; даже наши лучшие агенты и роботы с искусственным интеллектом не могут делать все, что делает муха», — отметил Хелен Ян.
