Кубический миллиметр мозговой ткани — вроде бы, не так уж много. Но с учётом того, что этот крошечный кубик содержит 57000 клеток, 230 миллиметров кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов, что всё это — 1400 терабайт информации.
Под руководством Джеффа Лихтмана (Jeff Lichtman), удостоенного почётного звания профессора Джереми Р. Ноулза (Jeremy R. Knowles) молекулярной и клеточной биологии и недавно получившего должность декана факультета естественных наук, команда Гарвардского университета участвовала в создании самой масштабной на сегодняшний день трёхмерной реконструкции фрагмента головного мозга, в которой для области височной коры размером примерно с половину рисового зёрнышка красочно и детально показана каждая клетка с её сетью связей.
Данное исследование — последний и наиболее важный плод почти 10-летнего сотрудничества с учёными из научно-исследовательского центра «Google Research». Благодаря этому сотрудничеству удалось объединить для цветового кодирования и реконструкции чрезвычайно сложной структуры головного мозга млекопитающих лихтмановскую визуализацию данных электронной микроскопии и алгоритмы искусственного интеллекта. Три первых соавтора научной статьи о данной работе — бывший постдок Гарвардского университета Александр Шапсон-Коу (Alexander Shapson-Coe), Михал Янушевский (Michał Januszewski) из «Google Research» и постдок Гарвардского университета Дэниел Бергер (Daniel Berger).
Конечная цель, поставленная при поддержке Инициативы в сфере исследования головного мозга (BRAIN Initiative) Национальных институтов здоровья, заключается в создании с высоким разрешением всеобъемлющей карты нейронных связей мыши. Количество данных, необходимое для реализации этой цели, примерно в 1000 раз больше того количества информации, которое понадобилось команде учёных для только что осуществлённой реконструкции нейронных связей, содержащихся в кусочке коры человеческого головного мозга объёмом в 1 кубический миллиметр.
«Слово «фрагмент» настраивает на ироничный лад, — говорит Лихтман. — Другое отношение к слову «терабайт»: для большинства людей оно означает нечто гигантское. Но фрагмент человеческого мозга — даже крошечный кусочек — это, тем не менее, тысячи терабайт».
Только что созданная карта содержит не наблюдавшиеся ранее детали структуры головного мозга, в том числе редкий, но мощный комплекс аксонов с примерно 50 синапсами. В исследованном кусочке мозга команда отметила также такую странность, как сформированные небольшой группой аксонов обширные завитки. Поскольку образец был взят у эпилептика, неясно, являются ли эти образования патологическими или просто редкими.
Специализация Лихтмана — коннектомика, цель которой — создание всеобъемлющих каталогов структуры головного мозга, вплоть до уровня отдельных клеток. Полные карты позволят устранить пробелы в научных знаниях о функциях головного мозга и его заболеваниях.
Новейшие алгоритмы искусственного интеллекта корпорации «Google» позволяют реконструировать ткани головного мозга и картировать их в трёх измерениях. Кроме того, команда разработала набор общедоступных инструментов, которые можно использовать для изучения и аннотирования коннектома.
«Поскольку осуществление этого проекта потребовало огромных инвестиций, было важно представить результаты таким образом, чтобы любой желающий смог воспользоваться ими», — отмечает сотрудник «Google» Вирен Джейн (Viren Jain).
Теперь команда намерена тщательно исследовать мышиную гиппокампальную формацию. Это представляет огромный интерес для неврологии из-за того, что данная формация играет важную роль в развитии памяти и неврологических заболеваний.
Статья об этой работе опубликована в журнале Science.
Автор публикации: Энн Дж. Мэннинг (Anne J. Manning), Перевод: Александр Горлов