Google Research и институт HHMI Janelia опубликовали самую большую карту мозга на сегодняшний день — полную схему связей мозга и нервной системы самца плодовой мушки. Интересна здесь не столько цифра, сколько то, кто в этой работе оказался узким местом.
Карта содержит больше 166 тысяч нейронов и 125 миллионов синаптических связей. Это крупнейшая карта мозга по числу нейронов, и она впервые выходит за пределы самого мозга: в неё входит вентральный нервный тяг (аналог спинного мозга), то есть видно, как мозг управляет телом.
ИИ сшивает срезы в объём
Метод называется коннектомикой. Мозг режут на миллионы тонких срезов, каждый фотографируют под электронным микроскопом, а дальше ИИ сшивает плоские снимки в трёхмерную реконструкцию. Ключевой инструмент — flood-filling networks: свёрточная сеть берёт один пиксель и находит все остальные пиксели, которые принадлежат тому же нейрону.
Система реконструкции называется PATHFINDER. Недавно в обучающие данные добавили синтетические нейроны — это ускорило работу и подняло точность. То есть сама задача «собрать карту» для ИИ уже решаемая.
Готовую карту можно рассматривать и скачивать через Neuroglancer — открытый инструмент Google для визуализации огромных многомерных данных.
Это не разовый прорыв, а итог десяти лет. В 2019 году команда выпустила первую полностью автоматическую реконструкцию женского мозга мушки, в 2020-м — выверенную человеком карту половины женского мозга: 25 тысяч нейронов и 21 миллион связей, рекорд на тот момент. Параллельно шла работа над полной мужской картой, которая теперь готова.
Узкое место — человек
Вот что действительно бросается в глаза: на проверку и разметку карты уходят годы человеческого труда. Карту вручную выверяла команда экспертов Janelia. ИИ собирает нейроны, но подтвердить, что каждый из них собран правильно, пока может только человек.
Важно: в этой истории ИИ — не ограничение, а наоборот. Ограничение — ручная проверка. Снизить её объём — главный путь к тому, чтобы составить карту более крупных мозгов в разумные сроки и бюджеты.
Зачем это вообще нужно
Плодовая мушка — модельный организм: на ней получено несколько Нобелевских премий в генетике. Теперь она становится модельным организмом и для нейронауки. Новая карта дополняет уже существующую женскую — теперь два пола можно сравнивать и изучать биологические механизмы ухаживания и агрессии.
Две полные карты дают и ещё одну возможность: в участках, которые у обоих полов устроены одинаково, впервые видно, чем мозги разных особей отличаются друг от друга.
Карта уже работает: вместе с ней вышли три сопутствующие статьи, где её применили к исследованиям зрения, вкуса и социального поведения.
Мозг человека — 86 миллиардов нейронов, составить его карту пока невозможно. Поэтому учёные идут снизу: мушка, затем рыбы, затем мышь. Цель — понять механизмы болезней вроде Альцгеймера, депрессии и шизофрении, а в перспективе — восстановление мозга.
Что дальше
Следующий шаг — позвоночные, то есть организмы со спинным мозгом, которые ближе к человеку. Уже вышла карта части заднего мозга рыбы-слонорыла, а личинки данио-рерио — одни из немногих позвоночных, чей мозг достаточно мал, чтобы составить его карту целиком. К тому же личинки прозрачны, поэтому активность нейронов можно измерять прямо во время эксперимента. В работе и карта части мозга мыши.
Для меня это хороший пример того, как ИИ меняет науку не скоростью вычислений, а сменой ролей: машина берёт на себя рутинную сборку, а человек остаётся там, где нужна точность и ответственность. Следить стоит за одним — насколько быстро удастся сократить ручную проверку. Именно от этого зависит, когда мы увидим карту мозга мыши, а потом и человека.