Как устроен коннектом, и как его собрать

Автор: Олег Сивченко. В настоящее время разработка искусственного интеллекта и разнообразных нейронных сетей впитывает столько ресурсов и привлекает такое внимание, что невольно обходится вниманием смежная тема: разработка искусственной нервной системы. Существует термин «коннектом» — это карта или схема всех нейронных связей в организме, которая теоретически позволила бы воспроизвести всю низшую и высшую нервную деятельность организма.

Первый коннектом, который можно считать «proof-of-concept» данной технологии, построен в 1980 году при помощи электронного микроскопа под руководством нобелевского лауреата Сиднея Бреннера (1927–2019). Это карта нейронных связей, которая полностью описывает нервную систему почвенной нематоды Caenorhabditis elegans (C. Elegans), червя длиной около 1 мм. C. Elegans давно привлекает пристальное внимание учёных и ещё в 1998 году стал первым организмом, чей геном удалось полностью (приблизительно) секвенировать. У самца C. Elegans всего 385 нейронов, а у гермафродита – 302, тогда как даже у примитивных моллюсков насчитываются десятки тысяч нейронов. C. Elegans — излюбленный лабораторный организм: вот список задач, которые исследовались на особях этого червя.

Успех с картированием нервной системы C. Elegans породил коннектомику — новое научное направление, задача которого — (ре)конструировать нейронные сети живых организмов. По-видимому, создание искусственного червя уже не за горами, а о более отдалённых и амбициозных горизонтах коннектомики я расскажу под катом.

Здесь я не буду подробно останавливаться на свойствах коннектома C. Elegans, так как эта тема уже хорошо разобрана в русскоязычных источниках, например здесь, здесь и здесь. Более того, всё поведение C. Elegans можно разделить на поисковое, половое и пищевое. Поэтому модель его перемещений легко реализуется в виде компьютерной симуляции и переносится на мобильного робота. Уважаемый @valbok написал об этом пост на Хабре ещё в 2015 году. В статье приводится репозиторий с реализацией кода C. Elegans на С++, а также ссылки на мобильных роботов, не уступающих C. Elegans сложностью коннектома: GoPiGo и EV3. Мы же далее обсудим, каковы нынешние представления, наработки и успехи на пути к пониманию коннектома человека и созданию искусственных коннектомов.

Предыстория коннектомики

Человеческий мозг состоит из миллиардов синапсов, которые дают при срабатывании ещё более многочисленные паттерны и последовательности. Именно эти сложные электрические процессы отвечают за все функции мозга (в том числе, когнитивные и эмоциональные), а также вызывают дисфункции. Подробно разобравшись в карте электрических соединений мозга, можно решить трудную проблему сознания, а также понять, что в принципе делает нас человеком.

Вся совокупность сложных нейронных соединений, образующих мозг — это коннектом человеческого мозга. Это подмножество в составе всего коннектома человека. В настоящее время изучаются и картируются и более ограниченные коннектомы, например коннектом сетчатки глаза. Коннектом сетчатки изучается в рамках проекта EyeWire, реализованного в виде компьютерной игры, участники которой могут прослеживать и отрисовывать нейронные связи. Карта EyeWire сравнилась по сложности с коннектомом C.Elegans в начале 2017 года, когда был картирован 250-й нейрон. На Хабре в ноябре 2017 года также вышел интересный пост об EyeWire под авторством уважаемого @ggreminder.

Коннектом как биологическая структура состоит из белого вещества, связывающего кору больших полушарий и подкорковые структуры (серое вещество). Он действует как провода, передающие информацию между функциональными зонами мозга.

Термин «коннектом» был предложен в 2005 году Олафом Спорнсом, нейрофизиологом из Университета Индианы. Именно он и его группа пришли к выводу, что собранная вручную карта нейронов C. Elegans — это полноценный коннектом и что достаточно воспроизвести эту систему связей в синтетическом организме — и этот организм будет вести себя именно как C. Elegans. Это не столько лабораторная, сколько вычислительная задача, и путь к её решению лежит через сбор и анализ больших данных.

В 2019 году Хервиг Байер и Михаэль Кунст из Института нейробиологии им. Макса Планка (совместно с коллегами из Японии и Италии) взялись картировать коннектом малька аквариумной рыбки данио-рерио. Естественно, малёк не взрослая особь, но его исследование приближает нас к пониманию коннектома позвоночного организма, гораздо более близкого к нам в эволюционном отношении, чем C. Elegans. У малька данио-рерио примерно 2000 нейронов, и работа немецких учёных неслучайно называется «A Cellular-Resolution Atlas of the Larval Zebrafish Brain» (клеточный атлас мозга малька данио-рерио). Коннектом личинки позвоночного настолько сложен, что понимается не как единое целое, а как совокупность функциональных зон. В мозге человека также потребовалось бы картировать сначала коннектомы функциональных зон и внутренние связи каждой такой зоны, а затем – общую карту мозга. Выявление функциональных зон мозга – работа, которая также впервые была предпринята в Германии ещё в 1909 году.

Тогда немецкий невролог Корбиниан Бродман попытался конкретизировать физиологию различных зон мозга, основываясь на их функциональных свойствах и гистологическом анализе. Он выделил в мозге человека 47 «полей», позже получивших название «цитоархитектонические поля Бродмана». Он показал, что каждое из полей решает собственные задачи, например, поле 4 отвечает за моторные функции, а поле 17 — за обработку визуальной информации. Бродман проверял клеточные свойства различных участков коры больших полушарий и пытался определить границы между зонами, где эти свойства явно отличаются. В течение XX века карта Бродмана не только во многом подтвердилась, но и была уточнена: в настоящее время в мозге человека выделяют 52 функциональных поля. Здесь показано, за что отвечает каждое из этих полей, а также проиллюстрированы сходства и различия между этими полями у человека и мартышек. Уточнение бродманнской карты мозга производилось при тщательном изучении дефектов и поражений мозга. Именно моторные функции страдают при повреждении зоны 4 и зрительные — при поражении зоны 17. Краткая карта полей Бродмана в настоящее время выглядит так:

konektom1.png

Правда, модель Бродмана не слишком хорошо объясняет даже умеренно сложные нейрофизиологические функции. Карта Бродмана изначально была концептуально верной, но лишь приблизительной, это скорее «физическая» карта мозга, чем «политическая». Эта карта ничего не говорит о том, как взаимодействуют различные зоны мозга, не объясняет, как устроено познание, мышление, эмоции. Соответственно, она не слишком помогает при исследовании таких расстройств как депрессия, шизофрения или аутизм, поскольку в них вовлечены разные зоны мозга, а повреждаются не зоны как таковые, а взаимодействия между ними. Даже речевые и двигательные расстройства понимаются по карте Бродмана лишь в самом общем виде.

Здесь мы подходим именно к той составляющей коннектомики, которая сближает её с геномикой.

Подробнее
Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

Хабр