Карта мужского мозга мухи: как 166 000 нейронов помогут понять поведение и создать лучший ИИ

Ученые впервые составили полную схему нервной системы самца плодовой мушки. Сравнение с женским коннектомом позволит выяснить, как мозг управляет спариванием, агрессией и даже «боевыми приемами», которые различаются у полов.

Мозг плодовой мушки размером примерно с маковое зернышко — и все же в этой крошечной упаковке содержится более 100 000 нейронов. Новая карта отображает каждый нейрон в мозге самца плодовой мушки, а также аналог спинного мозга насекомого, всего более 166 000 нейронов.

Эта новая карта дополняет карту мозга самки плодовой мушки, представленную в 2024 году и охватывающую около 140 000 нейронов. Теперь две схемы соединений, также называемые «коннектомами», можно сравнить, чтобы увидеть, есть ли различия между мозгом полов, которые помогают объяснять поведенческие отличия, проявляющиеся при спаривании или в агрессивных действиях, включая специфические для каждого пола боевые приемы.

«Впервые мы можем сравнить оба пола животного со сложным социальным поведением, — сказал соавтор исследования Джерри Рубин, руководитель биологического направления и старший руководитель группы в исследовательском кампусе Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза. — Самцы и самки мух сильно различаются в поведении, и нейробиологи хотят понять, как мозг управляет этим поведением. Теперь это позволяет нам легко нацеливаться на нейроны, вызывающие эти различия».

Первоначально выпущенная как препринт, новая карта мозга мухи была опубликована в журналах Cell и Current Biology в четверг, 3 сентября. Исследование, описывающее карту, вышло одновременно с тремя другими статьями, каждая из которых использует новые данные для изучения конкретного аспекта нейробиологии плодовой мушки.

«Нервная система мухи выполняет удивительно сложные вычисления с относительно небольшим числом нейронов и малыми затратами энергии, и ее архитектура может подсказать принципы для проектирования более эффективных искусственных систем», — сказал Карлос Рибейро, главный исследователь Фонда Шампалимо в Лиссабоне, Португалия, чья команда участвовала в создании карты и возглавила одно из связанных исследований.

«Эта работа также предоставляет техническую дорожную карту для более амбициозных проектов коннектомики в будущем, таких как мыши и человек», — сказал Рибейро в отдельном заявлении Фонда Шампалимо.

В ближайшей перспективе ученые планируют картировать мозг личинок данио-рерио (Danio rerio) и взрослых рыб данионелл (Danionella). В долгосрочной перспективе цель этих исследований — понять, как мозг позвоночных обеспечивает сложное поведение, а затем использовать эти знания для раскрытия основ неврологических и психических расстройств у человека.

Исследование, проведенное под руководством Рибейро и других ученых Фонда Шампалимо, было направлено на картирование цепей в мозге мухи, отвечающих за чувство вкуса. У плодовых мух вкусовые рецепторы расположены во многих частях тела, включая ноги, крылья, ротовые части и внутреннюю часть глотки. Исследователи идентифицировали эти вкусовые рецепторы и проследили их связи с мозгом мухи. Затем они изучили, как эти цепи взаимодействуют с теми, что управляют таким поведением, как глотание или ходьба. Когда речь идет о пищевом поведении, эти цепи помогают мухе определить, безопасен ли данный кусочек или вреден, и в конечном счете выбрать, есть его или нет, заключили исследователи.

«Эта схема обработки вкуса — инструмент для генерации гипотез, — сказала соавтор исследования Инеш де Аан Висенте, исследователь-техник в лаборатории Рибейро. — Предположим, вас интересует, как вкус управляет передвижением. Теперь вы можете обратиться к карте и спросить: какие сенсорные нейроны соединены с нейронами, управляющими передвижением? Какими промежуточными нейронами мне следует манипулировать? Это дает отправную точку».

Две другие статьи, опубликованные вместе с картой, исследуют соответственно цепи обработки зрения в мозге мухи и половые различия мозга самцов и самок. Первая показала, что зрительная обработка простирается глубоко в мозг, вовлекая более половины из примерно 11 000 типов нейронов, идентифицированных на карте. Второе исследование обнаружило сеть клеток, специфичную для мужского мозга, которая, по-видимому, координирует типично мужское поведение, такое как определенные аспекты ухаживания и физической агрессии. (Например, самки мух склонны бодаться головой, тогда как самцы набрасываются на цель.)

Хотя существуют сети, специфичные для каждого пола, цепи ощущений и движения в значительной степени общие для самцов и самок, показало исследование. Иногда определенные переключатели в этих цепях перенаправляют сигналы в разные пункты назначения в мужском и женском мозге; последствия этой перемаршрутизации станут предметом будущих исследований.

Мозг размером с мак: почему карта мухи важна для человечества

Плодовая мушка — излюбленный объект генетиков и нейробиологов уже более века. Но только теперь, с появлением технологий коннектомики, ученые смогли увидеть ее мозг целиком — каждый нейрон, каждый синапс, каждую связь.

Масштаб достижения трудно переоценить. 166 000 нейронов с миллионами соединений, картированных до последнего отростка, — это самый детальный атлас нервной системы существа со сложным поведением. Для сравнения: мозг человека содержит около 86 миллиардов нейронов, и до его полной карты еще десятилетия работы.

Практическая ценность исследования многослойна. Во-первых, сравнение мужского и женского мозга мухи впервые позволяет увидеть, как половые различия закодированы в нейронных цепях. Во-вторых, понимание работы вкусовых и зрительных цепей может подсказать принципы создания более эффективных алгоритмов ИИ — идея, которую активно развивают исследователи.

Техническая дорожная карта, о которой говорит Рибейро, не менее важна. Методы, отработанные на мухе, станут основой для будущих проектов на мышах и, в конечном счете, на человеке. Если удастся масштабировать подход, ученые смогут составить карту мозга млекопитающего, а затем и человеческого.

Пока же маленькая мушка продолжает служить окном в устройство разума. И, возможно, именно она подскажет, как связаны между собой нейроны, поведение и сознание.

Источники: Cell, Current Biology, заявления Джерри Рубина, Карлоса Рибейро и Инеш де Аан Висенте, материалы HHMI Janelia Research Campus и Фонда Шампалимо.