Google и HHMI Janelia картировали полный мозг самца дрозофилы: 166 000 нейронов и 125 млн связей

Google Research совместно с Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Janelia Research Campus опубликовали полный коннектом, карту связей, мозга и центральной нервной системы самца плодовой мушки Drosophila melanogaster: это крупнейшая на сегодняшний день карта мозга по числу картированных нейронов. Результат опубликован в журнале Cell и стал итогом десятилетнего партнёрства Google и HHMI Janelia; сам проект возглавлял HHMI Janelia, а в блоге Google Research о нём рассказали научные сотрудники Михал Янушевский и Вирен Джайн.

Коннектом включает свыше 166 000 нейронов и 125 миллионов синаптических связей. Помимо самого мозга, в карту вошёл вентральный нервный тяж мушки, аналог спинного мозга, то есть речь уже не только о мозге, но и о том, как он управляет телом. Все данные вручную проверены и аннотированы (вычитаны) командой экспертов HHMI Janelia и доступны для просмотра и скачивания через Neuroglancer, открытый инструмент Google для визуализации больших многомерных наборов данных.

Дрозофила давно служит модельным организмом в генетике, исследования на ней уже приносили Нобелевские премии, и авторы рассчитывают на ту же роль в нейронауке. Логика простая: у человека около 86 миллиардов нейронов, и построить их полную карту пока невозможно, поэтому учёные с помощью ИИ картируют мозг более простых организмов вроде мушек. Это должно помочь понять, как нервная система в принципе воспринимает мир и реагирует на раздражители, а в перспективе, как восстанавливать повреждённые нейронные пути.

Новая карта дополняет уже существующую карту мозга самки дрозофилы и отдельно упомянутую, выпущенную позже (источник уточняет только «недавно», без даты) полную карту мозга и нервного тяжа самки. В участках, где нейроны самца и самки различаются, сравнение поможет изучать биологические механизмы ухаживания и агрессии у мух; а в похожих у обоих полов участках наличие сразу двух полных коннектомов впервые позволит оценить индивидуальную изменчивость между отдельными особями одного вида.

Технически коннектомика начинается с того, что мозг нарезают на миллионы тончайших срезов, каждый фотографируют под электронным микроскопом, а затем с помощью ИИ склеивают снимки в единую 3D-реконструкцию. Google использует для этого свёрточные нейросети, работающие по принципу «заливки» (flood-filling networks): сеть стартует с одного пикселя и последовательно находит все остальные пиксели того же объекта. Метод развивался постепенно: в 2019 году команда выпустила первую полностью автоматическую реконструкцию мозга самки дрозофилы, а к 2020 году, уже вручную выверенную карту половины мозга самки с 25 000 нейронов и 21 миллионом связей, на тот момент рекордную. Параллельно команда уже работала над полной вычитанной картой мозга самца, она и опубликована сейчас.

Сами инструменты продолжают улучшаться: добавление синтетических нейронов в обучающие данные повысило скорость и точность передовой системы реконструкции Google, PATHFINDER; параллельно разрабатываются новые способы разметки и аннотирования конкретных типов нейронов. Пока проверка и аннотирование формы нейронов вручную занимают у экспертов годы, если эту потребность сократить, исследовательские группы смогут браться за ещё более крупные проекты картирования мозга в разумные сроки и бюджеты.

Коннектомика уже движется в сторону позвоночных, организмов со спинным мозгом, анатомически, эволюционно и функционально более близких человеку. Например, в исследовании, которое возглавил Колумбийский университет и которое на этой неделе опубликовано в Nature, команда Google помогла картировать участок заднего мозга рыбы-слоника (elephantnose fish), отвечающий за обработку сигналов; работа впервые показала, как статичный по своей природе коннектом можно совместить с другими данными для изучения нейропластичности и обучения, в итоге получена самая полная на сегодня механистическая модель обучения в мозге позвоночного.

Личинки данио-рерио (zebrafish), один из немногих видов позвоночных, чей мозг уже можно картировать целиком при нынешнем уровне техники: к тому же в личиночной стадии они прозрачны, что позволяет измерять нейронную активность прямо во время экспериментов (на этом строится набор данных ZAPBench). Готовящаяся статья Google с Гарвардом станет первым для позвоночных полным набором данных мозга, который совмещает структуру нейронов и их молекулярный тип сразу по всему мозгу; команда уже выпустила и предварительную версию набора данных, который совмещает нейронную активность и структуру в одном и том же мозге личинки данио-рерио, как открытый ресурс для исследовательского сообщества.

Авторы называют коннектом самца дрозофилы фундаментальным ресурсом для нового этапа экспериментальной нейронауки с прицелом на будущие приложения в биологии, фармацевтике и медицине. В тот же день вышли три сопутствующие статьи, где этот коннектом уже используется в исследованиях зрительных систем, вкуса и социального поведения мух (авторы и институты этих статей источник не называет). По словам Google, наработанные методы пригодятся и для других проектов, например, для готовящейся полностью вычитанной карты мозга рыбки данио-рерио и для картирования участка мозга мыши, хотя сроков для них источник не называет. Моделирование всех 86 миллиардов нейронов человеческого мозга по-прежнему недостижимо, но, как говорят авторы, наука продвигается к пониманию того, как работает мозг в целом и что лежит в основе таких состояний, как болезнь Альцгеймера, депрессия и шизофрения, с расчётом когда-нибудь получить новые способы лечения когнитивных расстройств, поддержания здоровья мозга и его восстановления.

Ключевые факты

Google Research и HHMI Janelia опубликовали полный коннектом мозга и ЦНС самца дрозофилы, свыше 166 000 нейронов и 125 млн синаптических связей, крупнейшая на сегодня карта мозга по числу нейронов.
Итог опубликован в Cell как результат десятилетнего партнёрства; данные вручную проверены экспертами HHMI Janelia и доступны через открытый инструмент Neuroglancer.
Карта включает вентральный нервный тяж (аналог спинного мозга) и дополняет более раннюю карту мозга самки дрозофилы, сравнение полов поможет изучать ухаживание, агрессию и индивидуальную изменчивость.
Метод опирается на нейросети типа flood-filling networks и систему реконструкции PATHFINDER; для сравнения, в 2020 году рекордом были 25 000 нейронов и 21 млн связей (половина мозга самки).
Коннектомика уже расширяется на позвоночных: команда Google помогла Колумбийскому университету картировать участок заднего мозга рыбы-слоника, отвечающий за обработку сигналов (Nature), и готовит с Гарвардом первый полный коннектом мозга личинки данио-рерио, шаг к пониманию Альцгеймера, депрессии и других расстройств.

Почему это важно

Это крупнейшая на сегодняшний день карта мозга по числу картированных нейронов, и карта, которая включает не только сам мозг, но и нервный тяж, управляющий телом. Для нейронауки коннектом, это примерно то же, чем в своё время стал геном для генетики: базовая карта, от которой можно отталкиваться в конкретных исследованиях, а не переоткрывать заново для каждой темы. Одновременно это подтверждение самого подхода, картировать с помощью ИИ сравнительно простые организмы вместо попытки сразу охватить 86-миллиардный нейронный аппарат человека: в те же дни команда Google продвинулась и к позвоночным, рыбе и рыбке данио-рерио.

Кому это важно

В первую очередь, нейробиологам и генетикам, которые используют дрозофилу как модельный организм: у них впервые появляется полная, вручную выверенная схема связей целого мозга и ЦНС самца, которую можно свободно смотреть и скачивать через Neuroglancer. Полезно и командам, которые развивают ИИ для коннектомики, реконструкции 3D-структуры мозга из электронно-микроскопических срезов: Google продвигает и метод, и открытые данные как общий ресурс для всей области. В более отдалённой перспективе это важно для фармацевтики и медицины, авторы прямо связывают работу с надеждой понять механизмы таких состояний, как болезнь Альцгеймера, депрессия и шизофрения.

Как это применить

Датасет уже открыт: карту можно посмотреть и скачать через Neuroglancer, а три статьи, опубликованные в тот же день, показывают это на практике, коннектом уже использован для исследований зрительных систем, вкуса и социального поведения мух. Для лабораторий, изучающих дрозофилу, это готовая инфраструктура: не нужно самим годами вычитывать и аннотировать срезы, можно сразу проверять гипотезы о конкретных нейронных цепях на уже готовой и проверенной карте. Для команд, которые строят похожие ИИ-системы для других организмов, применимы сами методы, нейросети типа flood-filling networks, добавление синтетических нейронов в обучение, система PATHFINDER: источник прямо называет их и показывает, что они уже переиспользуются в параллельных проектах по рыбе и рыбке данио-рерио.

Можно ли доверять

Источник, официальный блог Google Research, а не пересказ третьих лиц, и главный результат опубликован в рецензируемом журнале Cell; данные при этом не просто сгенерированы ИИ, а вручную проверены и аннотированы командой экспертов HHMI Janelia, института, который возглавлял проект. Карта открыта для просмотра и скачивания, то есть заявление проверяемо, а не голословно. Из аккуратных деталей: во вступлении карту называют «крупнейшей на сегодня» без уточнения метрики, а чуть ниже та же карта уже прямо названа крупнейшей по числу нейронов, вероятно, речь об одном и том же результате, но сам текст явно этого не проговаривает. Похожая аккуратность и с рекордом 2020 года: 25 000 нейронов половины мозга самки источник называет рекордом лишь «на тот момент», а не текущим.

Риски и подводные камни

Главное ограничение, масштаб: у человека около 86 миллиардов нейронов, у мушки, 166 000, и полное картирование человеческого мозга остаётся недостижимым, так что напрямую переносить выводы на человека нельзя, только на уровне общих принципов работы нервной системы. Даже с текущими методами точная проверка и аннотирование нейронов пока требуют лет ручного труда экспертов, источник сам называет это нынешним узким местом, которое только предстоит снять. О сроках следующих больших карт, полного мозга рыбки данио-рерио и участка мозга мыши, источник ничего конкретного не говорит: это анонсированные, но не датированные планы. А медицинская польза (для болезни Альцгеймера, депрессии, шизофрении) в тексте прямо названа надеждой на будущее, а не результатом уже проведённых испытаний, стоит не путать фундаментальный ресурс с готовым медицинским применением.