ИИ заглянул в мозг: 50 000 клеток и 150 миллионов синапсов под микроскопом

Один из способов использования искусственного интеллекта (ИИ) — помочь исследователям разобраться в огромных объёмах данных, в том числе в науке и медицине. Исследователи Google и нейробиологи Гарварда объединились, чтобы создать беспрецедентный взгляд на человеческий мозг, который мог бы помочь лучше понять неврологические расстройства и ответить на фундаментальные вопросы о том, как же работает наш мозг.

Объединив визуализацию мозга с обработкой и анализом изображений на основе искусственного интеллекта, исследователи реконструировали почти каждую клетку и все её связи в небольшом объёме ткани человеческого мозга размером примерно в половину рисового зёрнышка.

Хотя это изображение крайне небольшой области мозга, её 3D–визуализация, потребовала огромных 1,4 петабайта (1,4 миллиона гигабайт) дискового пространства для обработки.

Специалисты предоставили отдельные кадры этой визуализации, чтобы каждый человек, не обладая сверхмощным научным оборудованием, мог ознакомиться с плодами работы искусственного интеллекта, расширив свой кругозор, а также подтвердить или опровергнуть собственные представления о структуре мозга.

Использованный исследователями кусочек мозговой ткани, взятый с передней височной доли, принадлежит женщине, страдающей эпилепсией. Хирургам пришлось удалить его, чтобы добраться до желаемого участка мозга. Именно этот кусочек, в итоге, и стал объектом исследования учёных.

Образец ткани размером в один кубический миллиметр содержал около 50 000 клеток и около 150 миллионов синапсов — точек соединения, по которым сигналы передаются от одного нейрона к другому.

Некоторые пары нейронов обладали удивительным свойством быть связанными друг с другом чрезвычайно прочно — через целых 50 синапсов. Причём исследователи не знают, зачем нейроны это делают.

На этом изображении крупным планом показаны все нейроны одного типа — возбуждающие нейроны, окрашенные по размеру в красный (самый большой) и синий (самый маленький). Размеры клеток в ядре составляют около 15-30 микрометров в поперечнике.

Интригующим открытием в ходе реконструкции стало существование скоплений клеток, которые имели тенденцию располагаться зеркально друг другу. На этом изображении показана особенно симметричная пара.

Нейроны в головном мозге тесно связаны. Ниже изображён отдельностоящий нейрон (белого цвета), имеющий более 5000 аксонов (показаны синим), поступающих от других нейронов для передачи сигналов, и, как минимум, столько же синапсов, по которым сигналы переходят от аксона к принимающему нейрону. Синапсы показаны зелёным цветом.

Удивительным открытием этого исследования стало появление так называемых «завитков аксонов». Аксоны (показаны синим) представляют собой волокнистую часть нервной клетки, которая передаёт сигнал от клетки. Эти закольцованные скопления аксонов были редкостью в образце, и в некоторых случаях они располагались на поверхности другой клетки (показана жёлтым). Их функция учёным пока неизвестна.

Отдельностоящий нейрон (белого цвета) получает сигналы, которые определяют, срабатывает ли он. На изображении ниже показаны все аксоны, которые могут приказать ему включиться (выделены зелёным), и все те, которые могут запретить ему это делать (выделены синим). В масштабах мозга такое безумное количество связей и взаимодействий кажется просто потрясающим.

Исследователям предстоит ещё многое увидеть и во многом разобраться, даже в масштабе столь крошечного кусочка мозговой ткани. Учёные считают, что, продолжая исследования связей в мозге, они однажды смогут понять такие вещи, как то, как формируются наши воспоминания или что приводит к неврологическим расстройствам и болезням, таким как аутизм и болезнь Альцгеймера.