Глубоко внутри мозга: распутывание плотных сетей в коре головного мозга

[Робот]

Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2 ... 141233.htm

[Илья]

В отличие от любого другого органа, наш мозг содержит чрезвычайно плотно упакованные сети мембранных кабелей, которые используются нашими приблизительно 86 миллиардами нервных клеток для связи между собой. Поскольку каждая нервная клетка в основной части мозга млекопитающих, так называемой коре головного мозга, связывается с примерно 1000 другими нервными клетками через синапсы, расположенные вдоль этих кабелей на больших расстояниях, можно ожидать в общей сложности около 5 миллионов километров проводов, упакованных в наши черепа-более чем в 10 раз длиннее, чем все магистрали на НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ, в каждом из наших мозгов. Кабели, которые мы находим в нашем (и других млекопитающих) мозге, тонки от 50 до 100 нанометров в диаметре, примерно в 1000 раз больше диаметра наших волос. Результирующая кабельная свертка имеет такую плотность и величину, что в течение более чем 100 лет исследователи были в состоянии только сопоставить связь между крошечной фракцией нейронов в данном участке мозга.

Только развитие более быстрых электронно-микроскопических методов ("3D EM") и более эффективных процедур анализа изображений сделало возможным плотное отображение нейронных сетей. Новая область "коннектомики" занимается плотным отображением все более крупных схем в нескольких видах и областях мозга.

В работе, опубликованной сегодня в Science, команда вокруг директора Макса Планка Морица Хельмштадтера представила и проанализировала кусок ткани из коры головного мозга 4-недельной мыши, полученный с помощью биопсии из соматосенсорной коры, части коры, занятой представлением и обработкой осязания. Здесь исследователи применили оптимизированную обработку изображений на основе искусственного интеллекта и эффективное взаимодействие человека и машины для анализа всех около 400 000 синапсов и около 2,7 метров нейронального кабеля в объеме. При этом они произвели коннектом между приблизительно 7000 аксонами и приблизительно 3700 постсинаптическими нейритами, давая коннектом примерно в 26 раз больше, чем тот, который был получен из сетчатки мыши более половины десятилетия назад. Важно отметить, что эта реконструкция была в то же время больше и примерно в 33 раза эффективнее, чем та, которая применялась к сетчатке, устанавливая новый ориентир для плотной коннектомной реконструкции в мозге млекопитающих.

Подпитываемый этим методологическим прорывом в коннектомике, исследователи проанализировали коннектом для моделей существующей схемы. В частности, они спрашивали, какая часть цепи проявляет свойства, которые согласуются с ростом синапсов, механизмов, которые, как известно, способствуют формированию цепи и "обучению"."Алессандро Мотта, первый автор исследования и инженер-электрик по образованию, использовал конкретные конфигурации синаптических пар для изучения степени их согласия с процессами обучения, связанными с деятельностью ("LTP"). "Поскольку некоторые модели синаптической пластичности делают конкретные предсказания об увеличении синаптического веса при обучении, скажем, распознаванию дерева или кошки, мы смогли извлечь отпечаток таких потенциальных процессов даже из статического снимка схемы", - объясняет Мотта. Поскольку у мыши была нормальная лабораторная жизнь до биопсии мозга в возрасте 4 недель, ученые утверждают, что степень, в которой схемы формируются путем обучения в "нормальных" сенсорных состояниях, может быть отображена с помощью их подхода.

"Мы были удивлены, как много информации и точности можно найти даже в относительно небольшом участке коры головного мозга", - говорит Хельмштадтер и добавляет: "особенно важным открытием для нас стало извлечение вероятной изученной фракции цепи."

Описанные методы могут иметь существенные последствия для передачи представлений о биологическом интеллекте тому, что сегодня называется "искусственным интеллектом"."Цель картирования нейронных сетей в коре головного мозга является крупным научным приключением, а также потому, что мы надеемся, что сможем извлечь информацию о том, как мозг является таким эффективным компьютером, в отличие от сегодняшнего ИИ", - утверждает Хелмстедтер. И описывает исследовательское поле с крупными игроками, включая Google и исследовательскую программу разведывательных агентств в США (IARPA): "стремление узнать из биологических нейронных сетей о будущем искусственных нейронных сетей разделяется крупными инициативами по всему миру. Мы очень гордимся тем, что достигли первой вехи, плотного локального кортикального коннектома, используя исключительно государственное финансирование от Общества Макса Планка."

После почти десятилетия работы исследователи с энтузиазмом относятся к своим достижениям. "Возможность взять кусочек коры головного мозга, тщательно обработать его, а затем получить всю коммуникационную карту из этой прекрасной сети-это то, над чем мы работали в течение последнего десятилетия", - описывает Хельмштадтер.

Исследователи заключают: "Мы думаем, что наши методы, применяемые в большом диапазоне кортикальных тканей из различных областей мозга, кортикальных слоев, точек развития и видов, расскажут нам, как эволюция создала эти сети и какое влияние опыт оказывает на формирование их мелкозернистой структуры."

"Кроме того, коннектомный скрининг позволит описать фенотипы контуров психиатрических и связанных с ними расстройств - и сказать нам, в какой степени некоторые важные нарушения мозга на самом деле являются коннектопатиями, заболеваниями контуров."