Для мозку дрозофіли побудували повну поведінкову карту.
Ми знаємо, що активність тих чи інших зон мозку відповідає тій чи іншій поведінці. Ми навіть знаємо, які саме зони мозку включаються в ті чи інших ситуаціях. Але мозкові зони складені з величезного числа нейронів, з'єднаних у нейронні ланцюги, що повідомляються один з одним. Зрозуміло, що особливості поведінки залежать від особливостей роботи таких ланцюгів.
Однак коли справа доходить до окремих нейронів, тут починаються великі складнощі: у людському мозку трильйони нервових клітин, і у нас просто немає інструментів, щоб простежити активність кожної з них в різному поведінковому контексті.
Більше того, таке завдання до останнього часу не могли вирішити навіть для тварин з набагато меншим мозком. Скажімо, у дрозофіли нейронів порівняно небагато, всього 250 000 (хоча тут слово «всього» явно вимагає лапок), а між тим нейробіологи досить довго не могли точно і до кінця визначити, які нейронні ланцюжки відповідають навіть за прості реакції, коли муха просто ходить або летить.
Звичайні нейробіологічні методи дозволяють одночасно стежити лише за невеликою кількістю нейронів, однак для того щоб отримати нейронний портрет поведінки, потрібен такий метод, який дозволяв би описати мозок цілком. Але наука, як відомо, не стоїть на місці, і ось дослідникам з Медичного інституту Говарда Хьюза вдалося за допомогою досить хитромудрого підходу побудувати повну поведінкову карту мозку дрозофіли.
Для експерименту вибрали мух з генетичною модифікацією: деякі нейрони (від сотні клітин до декількох сотень) були забезпечені білком, який пропускав іони через мембрану і який при тому реагував на підвищення температури. Якщо температура навколо мух піднімалася вище 25 ° С, іонний канал спрацьовував, концентрація іонів по обидва боки нейронної мембрани змінювалася і виникав електрохімічний імпульс - в результаті муха кудись йшла, або починала чиститися, або починала шукати шлюбного партнера
. Але, як ми сказали, у різних мух включати можна було тільки якусь групу нейронів. Тому, щоб отримати повну поведінкову карту мозку, потрібно було використовувати багато дрозофіл. Так що експеримент виглядав наступним чином: двадцять мух, у яких модифікували одні й ті ж групи нейронів, садили в спеціальний посуд і нагрівали, а потім протягом п'ятнадцяти хвилин знімали на відео все, що робили дрозофіли. Потім мух міняли на інших, у яких модифікаціям піддали вже інший набір нейронів, тощо. Щоб дати уявлення про масштаби роботи, варто навести дві цифри: загалом в експерименті брало участь 400 000 мух, а загальний час відеозаписів з їхньою поведінкою дорівнював 5400 годиннику
. Поведінку аналізували дуже ретельно, оцінюючи, як змінюється напрямок руху мух, як вони ставлять ноги, як тримають крила тощо. Природно, «вручну» виконати все це було неможливо, так що автори роботи використовували методи машинного навчання: штучний інтелект порівнював поведінку мух, вичленовуючи загальні риси і зіставляючи їх з тим, які нейрони активувалися. Згодом деякі поведінкові реакції довелося перевірити, звужуючи набір модифікованих нейронів - щоб більш ясно побачити, які саме нервові клітини відповідають конкретній поведінці
. У статті Cell говориться, що у мух вдалося виявити 203 поведінкових блоки, в число яких і політ, і повзання з місця на місце, і чистка крил, і спроба спаритися з протилежною підлогою і багато чого іншого. (Одне з відео, на якому видно, як у мух включається копулятивна поведінка, можна подивитися тут.) Важливо підкреслити, що в результаті вдалося охопити весь мозок, хоча робота, незважаючи на допомогу штучного інтелекту, все одно виявилася титанічною. Надалі, швидше за все, роль деяких нейронних ланцюгів у тій чи іншій поведінці будуть ще уточнювати, але, так чи інакше, ці уточнення будуть відбуватися вже в рамках більш-менш відомої карти мозкової активності
. Звичайно, не будемо забувати, що мозок мухи малий і поведінка її досить просто, і, якщо ми захочемо зробити щось подібне для більш «мозковитих» істот, то негайно зіткнемося з багатьма методичними проблемами. Однак і про дрозофілу довгий час ніхто не вірив, що ми зможемо побудувати таку поведінкову карту мозку, і все ж її побудували - завдяки зусиллям фахівців з різних областей, від молекулярної генетики до машинного навчання
. І ось ще один важливий урок, який можна винести з цієї роботи - що в нинішній час значні наукові результати отримуються лише при використанні знань і методів, що належать самим різним науковим галузям.