Японским ученым впервые удалось создать полную модель нейрональных связей (коннектома) одного полушария мозга плодовой мухи дрозофилы (Drosophila melanogaster). Препринт исследования доступен на сайте arXiv.org.

Понимание структуры связей между нейронами имеет ключевое значение для изучения работы мозга. Для визуализации микроструктуры мозга применяют либо электронную микроскопию его последовательных срезов, либо маркировку нейронов флуоресцентными белками различных цветов. Эти методы позволяют получить трехмерное изображение мозговой ткани, но не связей между отдельными клетками.

Структурная модель полушария мозга дрозофилы. Видны центральный мозг (слева) и зрительная доля. Отдельные нейрональные сети окрашены в разные цвета. Ryuta Mizutani et al., arXiv:1609.02261, 2016

Чтобы построить модель нейрональных связей мозга дрозофилы,сотрудники Университета Токай и Японского исследовательского института синхротронного излучения модифицировали метод рентгеновской кристаллографии,который применяется для анализа трехмерной структуры макромолекул. Он состоит в том, что исследуемый образец облучают рентгеновским излучением и регистрируют его поглощение и рассеяние на отдельных атомах. Полученную карту электронных плотностей используют для пошагового компьютерного моделирования расположения атомов и связей между ними.

Ученые зафиксировали препарат мозга дрозофилы, в который были заранее введены частицы серебра. Затем они провели рентгеновскую микротомографию образца на синхротроне, получив трехмерную карту рассеивания и поглощения излучения атомами металла. Карту левого полушария размером 1250×1200×840 вокселов проанализировали алгоритмом,аналогичным применяемому в кристаллографии: программа оценивала вероятность нахождения нейрона в каждом вокселе и распространение его отростков на соседние вокселы с постоянным контролем согласованности получающейся модели. Сомнительные участки проверялись вручную.

Полученная трехмерная каркасная модель имеет разрешение около 600 нанометров и включает примерно 100 тысяч нейронов. Ученые выделили в ней 362 сети нейронов с известными функциями, а также ряд не классифицируемых структур из нервных клеток. Исследователи отмечают, что распределение таких структур коррелирует с распределением контактов между отростками нейронов, что может свидетельствовать об их важной роли в работе мозга.

Уточнить эту роль должны дополнительные исследования с использованием томографии более высокого разрешения, однако при нынешних возможностях они будут чрезмерно дорогостоящими и трудоемкими, пишут ученые. Их работа по построению модели заняла 17 тысяч человеко-часов.

Ранее нейробиологи научились искусственно создавать нейронные ансамбли, печатать аналоги мозговой ткани на 3D-принтере, восстанавливать утраченные нейрональные связи светом и сохранять их при заморозке образцов. Также недавно был разработан метод наблюдения эпигенетической регуляции работы мозга в реальном времени. Трехмерное моделирование коннектома во фрагменте крысиного гиппокампа позволило пересмотреть классификацию синапсов и, как следствие, дать новую оценку информационной емкости мозга — по мнению ученых, она превышает петабайт, что в 10 раз больше предыдущих оценок.

Автор: Олег Лищук