Создана полная модель коннектома дрозофилы
Муха дрозофила (Drosophila melanogaster). Японским ученым впервые удалось создать полную модель нейрональных связей (коннектому) одного полушария ее мозга.
Электронная микроскопия его последовательных срезов или маркировка нейронов флуоресцентными белками различных цветов применяются для визуализации ее микроструктуры. Эти методы позволяют получить трехмерное изображение мозговой ткани, но не связей между отдельными клетками. Препринт доступен на сайте arXiv.org.
Полушария мозга дрозофилы. Структурная модель. Обращают на себя внимание центральный мозг (слева) и зрительная доля. Разными цветами показаны отдельные нейрональные сети.
Для построения модели нейрональных связей мозга дрозофилы сотрудники Университета Токай и Японского исследовательского института синхротронного излучения модифицировали метод рентгеновской кристаллографии, применяющийся для анализа трехмерной структуры макромолекул. Этот метод состоит в том, что исследуемый образец облучают рентгеновским излучением и регистрируется поглощение и рассеяние этого излучения на отдельных атомах. Полученная карта электронных плотностей используется для пошагового компьютерного моделирования расположения атомов и связей между ними.
Ученые закрепили препарат мозга дрозофилы, в который были заранее введены частицы серебра. Затем была проведена рентгеновская микротомография образца на синхротроне, и на выходе была трехмерная карта рассеивания и поглощения излучения атомами металла. Карта левого полушария размером 1250×1200×840 вокселов* была проанализирована 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.
— Во́ксел (в разговорной речи во́ксель, англ. Voxel — образовано из слов: объёмный (англ. volumetric) и пиксель (англ. pixel)) — элемент объёмного изображения, содержащий значение элемента растра в трёхмерном пространстве. Вокселы являются аналогами двумерных пикселей для трёхмерного пространства.
Получилась трехмерная каркасная модель, которая имеет разрешение около 600 нанометров и включает примерно 100 тысяч нейронов. Было выделено в ней 362 сети нейронов с известными функциями, а также ряд неклассифицируемых структур из нервных клеток. Отмечается, что распределение таких структур коррелирует с распределением контактов между отростками нейронов, а это, в свою очередь, может свидетельствовать об их важной роли в работе мозга.
Как пишут ученые, уточнить эту роль должны дополнительные исследования с использованием томографии более высокого разрешения, однако при нынешних возможностях они будут чрезмерно дорогостоящими и трудоемкими. В общей сложности их работа по построению модели заняла 17 000 человеко-часов.
Чуть ранее нейробиологами было обретено умение искусственно создавать нейронные ансамбли, печатать аналоги мозговой ткани на 3D-принтере, восстанавливать утраченные нейрональные связи светом и сохранять их при заморозке образцов. Еще недавно был разработан метод наблюдения эпигенетической регуляции работы мозга в реальном времени. Трехмерное моделирование коннектома во фрагменте крысиного гиппокампа позволило сформировать новый взгляд на классификацию синапсов и, как следствие, дать новую оценку информационной емкости мозга. По мнению ученых на сегодняшний день, она превышает петабайт, что в 10 раз больше предыдущих оценок.
19.09.2016
