На протяжении многих лет нейронаука пыталась понять, что такое разум и откуда берется человеческое поведение.
Философ Рене Декарт разделил тело и душу, поставив человека выше «автоматной» природы животных и утверждая, что наша воля действует независимо от законов механики. Вместе с тем он стремился выявить анатомическую структуру, где эти две сущности сходятся, чтобы объяснить, как мы приказываем телу бежать или выпить стакан воды. Опираясь на скудные анатомические знания своего времени, он ошибочно заключил, что таким центром команд является «внутренняя часть мозга» — шишковидная железа.
Сегодня мы знаем, что нервная система состоит из множества взаимосвязанных структур, которые интегрируют и обрабатывают информацию со всего тела. Такая организация по существу схожа у других позвоночных — млекопитающих, птиц, рыб, рептилий и амфибий — и удивительно похожа у некоторых беспозвоночных, например у мушек. Нервная система плодовой мушки напоминает сильно упрощённую версию нашей собственной. В то время как человеческий мозг содержит примерно 86 миллиардов нейронов, мозг плодовой мушки и её эквивалент спинного мозга содержат всего около 166 тысяч нейронов. Это гораздо меньшее число сделало насекомое идеальной моделью для нейроучёных, стремившихся расшифровать механизмы поведения.
Теперь, после почти двух десятилетий работы, исследователи впервые завершили карту всей нейронной сети, или коннектом, центральной нервной системы плодовой мушки. В четырёх статьях, опубликованных в журнале Cell, представлена карта, включающая миллионы нейронных связей. За последние двадцать лет исследования коннектома плодовой мушки последовательно продвигались вперёд благодаря улучшениям в технологиях визуализации и усилиям крупных исследовательских команд. Ранее были опубликованы карты половины мозга самки с 25 тысячами нейронов, полная карта мозга из 3 016 нейронов, связанных 548 тысячами соединений, и первая карта взрослого мозга с 140 тысячами нейронов и около 55 миллионами связей. Оставалась одна крупная веха: полная карта всей нервной системы, включая нервный канатик, мозг и зрительные доли — все 166 тысяч нейронов.
Один из руководителей проекта, Стюарт Берг, утверждает, что завершение коннектома плодовой мушки открывает возможность изучать такие виды поведения, как ходьба, полёт и даже «пение», которые в конечном счёте управляются сигналами в нервном канатике за пределами мозга. «Информация об окружении мушки также передаётся от сенсорных нейронов в мозг через этот канатик, — поясняет Берг, учёный Исследовательского центра Джанелия при Институте Говарда Хьюза в США. — Это не просто набор «проводов», передающих информацию от входа к выходу, а содержит значительную часть вычислительной машины мушки».
Герри Рубин, основавший и руководивший кампусом Джанелия в то время, когда многие нейроучёные считали картирование целого мозга почти невозможным, с большими ресурсами в распоряжении побудил исследователей сначала разработать инструменты визуализации, необходимые для детального выявления нейронной проводки. Получившаяся схема раскрыла полную цепь, связывающую сенсорное восприятие (то, что мушка видит, чувствует запахи и т. п.) с её поведением. «Прослеживание сигналов от глаза показало, что визуальная обработка уходит глубоко в мозг, затрагивая более половины типов нейронов», — говорит Рубин, руководитель биологического направления Джанелии, в комментарии одному из исследований, опубликованных в Cell.
В центральной работе исследователи впервые выявили различия в нейронных связях, объясняющие отличия в поведении самцов и самок плодовой мушки (Drosophila melanogaster). Они также обнаружили разные типы нейронов с различной экспрессией генов. Иными словами, им удалось расшифровать, как инструкции, закодированные в ДНК определённых мужских нейронов — в частности в двух генах, называемых fruitless и doublesex — переводятся в вариации ухаживающего поведения, которые самки не показывают. Поэтому плодовая мушка стала мощной моделью для изучения полового диморфизма: от генов к поведению через промежуточную роль нейронных цепей.
Исследователи идентифицировали несколько сотен клеточных типов, специфичных для пола, что составляет 4,8% нейронов в мозге самца и 2,4% в мозге самки. Несмотря на относительную малочисленность, эти клетки могут существенно влиять на работу мозга. Кроме того, ещё около 9% нейронов у самцов участвуют в связях, которые отличаются между полами. Команда обнаружила, что эти различия сосредоточены глубоко в схеме нейронной проводки и что «различные поведения возникают в высших центрах обработки, которые влияют на принятие решений, а не [только] из-за различий в восприятии, например разной чувствительности к некоторым запахам», объясняет Берг.
Альберт Кардона, исследователь знаменитой Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, не участвовавший в этом исследовании, но возглавивший первое полное картирование мозга животного — личинки плодовой мушки, — подчёркивает значение этих результатов: ген fruitless экспрессировался в десяти процентах всех нейронов как в мозге самца, так и в мозге самки, но по-разному. В итоге это заставляет нейроны формировать разные соединения, и схемы цепей отличаются между полами. Это, по его словам, начинает объяснять, почему самцы и самки ведут себя по-разному. Кардона отмечает: «Во время ухаживания самец вибрирует крылом, чтобы «петь» самке, и теперь становится возможным понять, как моторная система контролирует это поведение и чем оно отличается у самки, у которой тот же геном, но другой мозг и которая не демонстрирует этого поведения».
Одна из других статей, представляющая полную карту вкусовой системы мушки — от вкусовых нейронов, распределённых по всему телу, до мотонейронов, управляющих кормлением — показывает, как нейроны, несущие привлекательные сигналы, и те, что передают отталкивающее ощущение, подключаются к цепям, регулирующим питание, локомоцию, выделение гормонов и ухаживание. «Эта карта может помочь учёным понять, как внутренние состояния, независимые от немедленных внешних стимулов, могут формировать решения на основе вкуса», говорит Рубин.
Когда испанский учёный Сантьяго Рамон и Кахаль создал первые детальные описания организации нейронов в человеческом мозге, он опирался на ничто иное, как оптический микроскоп и огромную долю терпения. Результат, достигнутый после бесчисленных часов изучения препаратов, разбираемых едва ли кем-либо ещё, принёс ему Нобелевскую премию по физиологии и медицине совместно с Камилло Гольджи, изобретателем метода окраски серебряным хроматом, позволившего различать отдельные нейроны, так называемой «чёрной реакции». Через упорство, креативность и проницательность Кахаль пришёл к тому, что стало известно как «доктрина нейрона»: идея о том, что нейроны являются фундаментальными единицами нервной системы — принцип, лежащий в основе всей последующей современной нейронауки.
Исследователи из Джанелии под руководством Харальда Хесса, ещё одного ведущего автора исследования, годами совершенствовали и расширяли первопроходческую методику визуализации высокого разрешения, известную как растровая электронная микроскопия с фокусированным ионным пучком (FIB‑SEM), что позволило получать всё более чёткие и детализированные изображения отдельных нейронов. В результате был создан микроскоп стоимостью примерно миллион долларов — один из менее чем двадцати подобных устройств в мире. В действительности Хесс и его команда спроектировали адаптацию, которую можно добавить к микроскопу Zeiss, изначально разработанному для материаловедения, но теперь используемому биологами в нейронаучных исследованиях.
Интерпретация полученных изображений значительно ускорилась благодаря достижениям в области машинного обучения, но человеческий взгляд остаётся незаменимым. «Наша команда корректоров, которая улучшает карту, развила исключительную экспертизу в интерпретации изображений и обучении следующего поколения моделей машинного обучения», — говорит Берг. Это непростая задача для неподготовленного глаза, потому что нейроны демонстрируют поразительное разнообразие форм и размеров. «С годами опыта наша команда выработала исключительную интуицию для выявления деформированных нейронов и точного понимания, где их исправить», — добавляет он.
По ходу работы исследователи разработали сложные программные инструменты с нуля для сборки, анализа и обмена создаваемыми коннектомами. Алгоритмы и компьютеры, разработанные командой Google Research, собирали изображения и выполняли первоначальную идентификацию нейронов. Но Рубин соглашается, что человеческая проверка остаётся одной из наиболее трудоёмких частей процесса: «Это потребовало эквивалента работы 44 человек в течение года».