Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны 10 лет назад создали глобальную инициативу Blue Brain Project – проект по компьютерному моделированию мозга, в рамках которого они пытались создавать цифровые копии участков мозга. На сей раз учёные представили цифровую реконструкцию участка мозга крысы, содержащую 31 тысячу нейронов, 55 слоёв клеток и 207 различных подтипов нейронов.
Цель учёных на настоящий момент – определить, какие типы нейронов головного мозга существуют, измерить их электрические свойства и построить карты связей нейронов между собой.
Такая кропотливая работа поможет науке заглянуть в строительные блоки и устройство "проводки" мозга. Тем не менее создание полного изображения в высоком разрешении, демонстрирующего все особенности и активность нейронов в областях мозга, а также поведение цепей этих нейронов, остаётся достаточно сложной для учёных задачей.
Гени Маркрам (Henry Markram) и его коллеги решили использовать инженерный подход к созданию цифровой реконструкции части коры головного мозга мыши. Используя объём данных, полученных в ходе исследования, они создали виртуальную копию мозга, на которой можно увидеть различные типы нейронов, присутствующих в этой области, а также ключевые особенности их взаимодействия. Учёным даже удалось смоделировать их соединения, в том числе почти 40 миллионов синапсов и 2 тысячи связей между каждым типом клеток головного мозга.
"Столь полная реконструкция потребовала огромного количества экспериментов, – комментирует Маркрам. – Однако мы получили путь к прогнозированию различных местоположений и показателей, и даже можем рассчитать количество ионов, протекающих через все 40 миллионов синапсов".
После того как реконструкция была завершена, исследователи использовали мощные суперкомпьютеры для моделирования поведения нейронов в различных условиях. Примечательно, что они обнаружили: слегка манипулируя лишь одним параметром, уровнем ионов кальция, можно воспроизводить самые разные образцы активности нейронных цепей, которые нельзя смоделировать, руководствуясь знаниями об активности отдельных нейронов.
"В данном случае можно провести аналогию с компьютерным процессором, который можно перенастроить, чтобы сосредоточиться на определённых задачах, – поясняет Маркрам. – Эксперименты свидетельствуют о существовании спектра нейронных состояний, что порождает вопросы о том, какими они могут быть и чем вызываются. Мы считаем, что результаты наших исследований могут открыть новые возможности для объяснения различных аспектов поведения, например, замкнутости или агрессии".
Специалисты Blue Brain Project планируют продолжать изучение мозга и создавать улучшенные цифровые модели. Они будут дополнять их по мере поступления результатов последующих биологических экспериментов. В настоящее время все выводы швейцарских учёных находятся в открытом доступе.
Научная статья исследователей была опубликована научным журналом Cell.
