3D-карта мозга: 57 000 нейронов и 150 млн синапсов на одном миллиметре

Представьте, что вы пытаетесь нанести на карту все звёзды в галактике. А теперь представьте, что эта задача в миллиарды раз сложнее. Именно это сделали учёные из Гарварда и Google Research — они создали самую подробную трёхмерную карту крошечного кусочка человеческого мозга размером с песчинку. И то, что они там увидели, переворачивает учебники нейробиологии.

Всего один кубический миллиметр ткани. На этом крошечном пространстве уместилось 57 тысяч нейронов, 230 миллиметров кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов. Чтобы сохранить и обработать эту информацию, потребовалось 1400 терабайт данных. Для сравнения: это примерно столько же, сколько нужно для хранения полумиллиона полнометражных фильмов.

Но дело не только в объёме. Дело в том, что учёные впервые увидели структуры, о которых раньше даже не догадывались. Некоторые нейроны оказались соединены друг с другом не одним-двумя, а целыми 50 аксонами. Представьте, что два человека общаются не по одному телефонному кабелю, а пятьюдесятью параллельными линиями. Зачем мозгу такая избыточность? Пока никто не знает.

Ещё одна загадка — аксонные завитки. Некоторые отростки нервных клеток закручивались в странные узлы, словно пытались запутать сами себя. А некоторые кластеры нейронов располагались зеркально по отношению к другим. Ни в одном учебнике такого нет.

Образец для исследования взяли у пациента с эпилепсией во время операции. Это был свежий, идеально сохранившийся кусочек ткани — редкая удача. Обычно мозг после смерти разрушается слишком быстро для таких тонких исследований. Фрагмент залили смолой, нарезали на тончайшие слои и просветили в специальном электронном микроскопе.

Но даже с самыми мощными микроскопами вручную разобраться в этой паутине невозможно. На помощь пришёл искусственный интеллект от Google. Он проследил каждое соединение, раскрасил каждый нейрон в свой цвет и собрал трёхмерную модель. Одна ошибка — и вся карта рассыплется, как карточный домик.

Руководитель проекта Джефф Лихтман признаётся: «Слово ‘фрагмент’ звучит иронично. Для большинства людей терабайт — это гигантский объём, но фрагмент человеческого мозга — это тысячи терабайт». Чтобы закартировать весь мозг целиком, понадобится около эксабайта данных — столько же, сколько хранят серверы ЦЕРН, обслуживающие Большой адронный коллайдер.

Новая карта доступна всем желающим на платформе Neuroglancer. Любой может заглянуть в этот микрокосм и попытаться разглядеть там следы того самого волшебства, которое мы называем сознанием. А учёные тем временем готовятся к следующему шагу — карте гиппокампа мыши. И кто знает, какие ещё тайны откроет нам эта новая нейробиология.