Даже самые простые нейронные сети в головном мозге состоят из миллионов связей, а изучение этих обширных сетей имеет решающее значение для понимания того, как именно работает наш мозг. Международная группа исследователей опубликовала в журнале Nature самую обширную на сегодняшний день реконструкцию нейронной сети в коре головного мозга, где происходит обработка различных сигналов. Учёные выявили несколько новых важных законов организации и работы мозга.
Учёные начали свою работу с выявления нейронов, откликающихся на конкретные визуальные стимулы и расположенных в зрительной коре головного мозга лабораторных мышей. Эти клетки реагировали на вертикальные или горизонтальные блоки на экране.
Затем исследователи сделали тончайшие срезы мозга, что позволило получить миллионы детальных изображений целевых клеток и синапсов, а затем создать их трёхмерную реконструкцию ("Вести.Наука" уже писали о подобном методе). С помощью 3D-изображений учёные отслеживали деятельность отдельных нейронов и связей между ними.
"Данное исследование уникальным образом сочетает функциональную визуализацию и детальную микроскопию, – говорит Рид. – Полученные нами микроскопические данные отличаются беспрецедентной степенью детализации. Мы получаем много новой информации о функциях каждого нейрона, а затем видим, как он соединяется с другими нейронами – похожими и различными по функциям.
Ансамбль нейронов похож на симфонический оркестр, в котором каждый исполнитель сидит в случайном месте: если слушать нескольких ближайших музыкантов, в музыке не будет смысла, но если услышать то, что играет каждый, то можно понять какую-то особенную мелодию. Так как в мозге нет "дирижёра", оркестру необходимо общаться между собой".
Анализ этих весьма обширных данных привёл учёных к ряду выводов, в том числе позволил подтвердить идею, согласно которой нейроны, выполняющие аналогичные задачи, с большей вероятностью связаны друг с другом, чем нейроны, ответственные за разные действия. Однако, несмотря на это, соединения весьма обширны и часто нейроны спутаны с рядом других нейронов, выполняющих совершенно разные функции.
В общей сложности исследователи рассмотрели около 1300 синапсов между клетками с помощью 3700 срезов мозга. Учёные полагают, что с помощью подобных исследований удастся понять, как структура мозга позволяет нам чувствовать, помнить и думать.
"Эта работа стала кульминацией исследовательской программы, которая была запущена почти десять лет назад, – комментирует доктор Клей Рид (R. Clay Reid), старший исследователь Алленовского института наук о мозге. – Однако мы обнаружили, что это стоило затраченных усилий: мы изучили огромное количество информации о структуре сетей в мозге и, в конечном счёте, выяснили, как структура мозга связана с его функциями".
"Несмотря на то, что это исследование можно назвать значимым этапом работы, мы только в начале нашего пути, – продолжает Вэй-Чжун Ли (Wei-Chung Lee), преподаватель нейробиологии в Гарвардской медицинской школе и ведущий автор научной работы. – Теперь мы обладаем инструментами, которые позволяют нам обнаруживать связь между соединениями и вычислениями, производимыми этими нейронными сетями".
Учёные десятилетиями изучали мозговую активность, и вот, наконец, им удалось получить общую картину: связать электрическую активность нейронов с работой синапсов. Это позволило определить анатомию сети из клеток в коре головного мозга, а также как строение сети влияет на функциональные связи между нейронами.
Методика, использованная в исследовании, позволила определить, как организуются нейронные связи. Теперь исследователи планируют выявить более мелкие связи – строительные блоки, необходимые для функционирования мозговой сети.
