Величезний новий набір даних розширює межі нейронаук

Zoom Хуан Гертнер/Getty Images

Відео відтворюється майже на кожному вступному курсі нейронаук. Звучить небагато — смуга світла рухається й обертається по чорному екрану, а фоновий звук вискакує й потріскує, як звук далекого феєрверку. Насухо, доки не дізнаєшся, що хлопки символізують спрацьовування одного нейрона в мозку кота, спостерігаючи, як смуга рухається по екрану. Коли смужка торкається певної точки та знаходиться під певним кутом, вибух переростає у грандіозний фінал шаленої активності. Повідомлення чітке: цей нейрон справді, дуже піклується про цю панель.

Експеримент, показаний у відео, був проведений Девідом Хьюбелом і Торстеном Візелем у 1960-х роках і допоміг вченим вивести основні принципи роботи зорової системи. Десятиліттями нейробіологи вставляли тонкі металеві електроди в мозок мишей, зябликів і мавп, щоб стежити за окремими нейронами та з’ясувати, що їх запускає. Є нейрони, які реагують на певні кольори або форми; або в певних місцях у просторі або в напрямку голови; або цілі обличчя чи окремі риси.

Такий потужний двигун, як одноклітинний аналіз, довів: «Усі завжди хотіли мати більше нейронів», — каже Енн Черчленд, професор нейробіології Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі. Частково причиною була проста статистика: більше спостережень завжди краще, незалежно від експерименту. Але вчені також натрапили на аналітичні стіни, дивлячись на окремі нейрони. У префронтальній корі, області в передній частині мозку, яка відіграє важливу роль у плануванні, прийнятті рішень і соціальній поведінці, нейрони реагують на таке різноманіття речей - візуальні характеристики, завдання, рішення - що дослідники не змогли призначити їм якусь конкретну роль, хоча б індивідуально. Навіть у первинній зоровій корі, зоні далеко в задній частині мозку, де Хьюбель і Візель зробили свої записи, лише частина нейронів насправді спрацьовує, коли тварина дивиться на кутові смуги.

За допомогою методів Хьюбела та Візеля було неможливо досліджувати більше ніж декілька нейронів одночасно. Але інженери наполегливо розвивали цю можливість, кульмінацією якої стала розробка зондів Neuropixels у 2017 році. Один кремнієвий зонд довжиною в сантиметр може прослуховувати сотні нейронів одночасно, і він досить малий, щоб нейробіологи могли об’єднати кілька. мозок тварини. В Інституті Аллена, некомерційному дослідницькому інституті, заснованому співзасновником Microsoft Полом Алленом, вони використовували шість зондів Neuropixel для одночасного запису з восьми різних областей зорової системи миші. У серпні інститут опублікував дані 81 миші, включаючи активність близько 300 000 нейронів. Ці дані є у вільному доступі для всіх дослідників, які бажають ними скористатися.

Як найбільший набір даних у своєму роді, коли-небудь зібраний (утричі більший за попередній рекордсмен), цей випуск дозволяє дослідникам спостерігати за величезними групами нейронів, які діють узгоджено. Цей безпрецедентний масштаб може відкрити можливості для розуміння тих частин пізнання, які раніше були недоступні науковому співтовариству. «Ми хочемо зрозуміти, як ми думаємо, бачимо та приймаємо рішення», — говорить Шон Олсен, дослідник з Інституту Аллена, який відігравав центральну роль у проекті. «І це відбувається не на рівні окремих нейронів».

Завдання зараз полягає в тому, як проаналізувати всі ці дані. Величезними наборами даних непросто керувати; навіть поділитися ними та завантажити їх може бути важко. Але яким би складним не був аналіз, для багатьох дослідників робота з такими наборами даних варта того, оскільки це дозволяє їм вивчати мозок на власних умовах.

Для Хьюбела та Візеля мозок був схожий на складальний конвеєр: групи нейронів, кожен із яких спеціалізувався на певній ролі, розподіляючи та виконуючи кожне завдання. Покажіть комусь червону повітряну кульку, і нейрони, чутливі до червоного та кола, відреагують незалежно. Але цей підхід ніколи не адаптувався до реального функціонування мозку - він настільки щільно зв'язаний, що жоден нейрон ніколи не діє...