Google Research совместно с HHMI Janelia Research Campus и другими партнерами опубликовала в журнале Cell полную карту мозга и центральной нервной системы самца плодовой мушки Drosophila melanogaster. Эта работа, озаглавленная «Sexual dimorphism in the complete connectome of the Drosophila male central nervous system», стала результатом десятилетнего сотрудничества и представляет собой крупнейшую карту мозга по числу нейронов — более 166 000 нейронов и 125 миллионов синаптических связей.
Коннектомика — область нейронауки, занимающаяся картированием нейронных связей, — требует огромных вычислительных ресурсов. Процесс начинается с разрезания мозга на миллионы тонких срезов, каждый из которых фотографируется под электронным микроскопом. Затем с помощью ИИ и компьютерного зрения эти двумерные изображения собираются в трехмерную реконструкцию нейронов. Google Research разработала для этого специализированные инструменты, включая flood-filling networks — тип сверточных нейронных сетей, которые, начиная с одного пикселя, идентифицируют все остальные пиксели, принадлежащие тому же объекту. Эти методы постоянно совершенствуются: недавно в обучающие данные были добавлены синтетические нейроны, что повысило скорость и точность системы реконструкции PATHFINDER.
Плодовая мушка давно используется в генетике как модельный организм, и теперь она становится ключевой моделью в нейронауке. Хотя мозг мушки сильно отличается от человеческого, базовые принципы организации нервной системы схожи у разных видов. Поскольку картирование 86 миллиардов нейронов человеческого мозга пока невозможно, ученые используют ИИ для изучения более мелких организмов, таких как дрозофила, чтобы понять, как нервная система воспринимает мир, реагирует на стимулы и как можно восстанавливать поврежденные нейронные пути.
Проект реализован в партнерстве Google Research и HHMI Janelia, результаты опубликованы в журнале Cell.
Новая карта дополняет ранее опубликованную карту мозга самки дрозофилы, а также недавно выпущенную полную карту мозга и нервного тяжа самки. Наличие карт обоих полов позволяет сравнивать их в областях, где нейроны различаются, что важно для изучения механизмов ухаживания и агрессии у мушек. Кроме того, в сходных участках мозга два полных коннектома дают возможность исследовать вариабельность между особями.
Карта самца включает не только мозг, но и вентральный нервный тяж — аналог спинного мозга, что расширяет понимание того, как мозг управляет телом. Данные доступны для просмотра и скачивания через Neuroglancer — открытый инструмент, созданный Google для визуализации больших многомерных наборов данных. Карта была выверена и аннотирована группой экспертов в HHMI Janelia.
Коннектомика уже движется к позвоночным: на этой неделе в Nature вышла работа под руководством Колумбийского университета, в которой с участием Google Research была картирована часть заднего мозга рыбы-слона, отвечающая за обработку сигналов. Это исследование впервые показывает, как коннектом можно комбинировать с другими данными для изучения нейропластичности и обучения.
