Охота на электроовец. Большая книга искусственного интеллекта
Шрифт:
Когда свет попадает на клетки фоторецепторов, они передают сигнал биполярным клеткам [1065] , затем амакриновым [1066] — и, наконец, ганглионарным [1067] .
Учёные проанализировали 80 амакриновых нейронов (29 из них помогли описать игроки EyeWire) и соединённые с ними биполярные клетки. Они заметили, что разные типы биполярных клеток по-разному соединяются с амакриновыми нейронами: биполярные клетки одного типа располагаются далеко от тела (сомы) звёздчатой клетки и передают сигнал быстро, клетки другого типа располагаются близко, но сигнал передают с задержкой.
1065
* Биполярные клетки (bipolar cells) обычно имеют веретенообразную форму и два отростка (один аксон и один дендрит), именно поэтому их и называют биполярными. В сетчатке они соединяют через синапсы одну колбочку или несколько палочек зрительной системы с одной ганглионарной или амакриновой клеткой (последнее характерно для биполярных клеток палочек).
1066
**
1067
*** Ганглионарные клетки (retinal ganglion cells, RGC) — слой нейронов, расположенных в непосредственной близости от внутренней поверхности сетчатки. Они генерируют сигналы, которые затем передаются в зрительную кору.
Если стимул в поле зрения удаляется от тела (сомы) звёздчатой амакриновой клетки, то первой активизируется «медленная» биполярная клетка, затем — «быстрая». Тогда, несмотря на задержку, сигналы клеток обоих типов достигают звёздчатого амакринового нейрона одновременно, он испускает сильный сигнал и передаёт его дальше ганглионарным клеткам. Если же стимул движется по направлению к соме, сигналы разных типов биполярных нейронов не «встречаются» и сигнал амакриновой клетки получается слабым [1068] .
1068
Коровски Ю. (2015). Игры ради науки / XX2 век, 23 марта // https://22century.ru/popular-science-publications/games-for-science
Разумеется, игра EyeWire в силу присущей ей некоторой криповатости не входит в топы рейтингов онлайн-игр, а следовательно, объём людских ресурсов, привлекаемых в рамках этого образчика гражданской науки [civil science], весьма ограничен. Однако создатели и не рассчитывали на то, что в данном проекте можно будет полагаться только на ресурсы краудсорсинга. Размеченные игроками данные были использованы для того, чтобы обучить на них соответствующие модели машинного обучения, которые затем смогут выполнять раскраску самостоятельно [1069] . Своеобразная ирония заключается в том, что в основе этих моделей лежат свёрточные нейронные сети (о них мы поговорим подробно несколько позже), созданные, в свою очередь, под влиянием научных данных, полученных в ходе изучения зрительной коры головного мозга. Так что EyeWire в некотором смысле напоминает змея уробороса, кусающего самого себя за хвост.
1069
Zlateski A., Lee K., Seung H. S. (2017). Scalable training of 3D convolutional networks on multi-and many-cores / Journal of Parallel and Distributed Computing, Vol. 106, pp. 195—204 // https://doi.org/10.1016/j.jpdc.2017.02.006
4.2.7 Коннектомика сегодня
Чего не могу воссоздать, того не понимаю.
EyeWire не единственный из современных проектов, посвящённых развитию технологий для создания моделей коннектомов живых существ (напоминаем, что коннектом — это карта связей нейронов в нервной ткани).
Второго апреля 2013 г. администрация Президента США дала старт амбициозной частно-государственной исследовательской программе BRAIN Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, Исследование мозга через продвижение инновационных нейротехнологий), глобальной целью которой является достижение динамического понимания принципов работы мозга. Инициатива была разработана Управлением по научной и технологической политике (Office of Science and Technology Policy, OSTP) в рамках более широкой программы Neuroscience Initiative (Инициативы нейронауки) [1070] . Созданная под впечатлением от проекта «Геном человека» (Human Genome Project) BRAIN Initiative среди своих публичных целей заявляет помощь исследователям в деле изучения мозговых расстройств, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона, депрессии и травматических поражений мозга.
1070
* Нейронаука — междисциплинарная область знаний, занимающаяся изучением нейронных процессов.
Первым кирпичиком в фундаменте BRAIN Initiative стала статья Павлоса (Пола) Аливизатоса из Калифорнийского университета в Беркли и его коллег, вышедшая на страницах престижного журнала Neuron под названием «Проект карты активности мозга и проблема функциональной коннектомики» (The Brain Activity Map Project and the Challenge of Functional Connectomics) за год до старта проекта. В статье были изложены экспериментальные планы для более скромного проекта, в том числе рассмотрены методы, которые могут быть использованы для построения «функционального коннектома», а также перечислены технологии, которые необходимо будет разработать в ходе проекта. Авторы указывают, что первоначальные исследования могут быть проведены на излюбленных объектах исследователей — нематодах Caenorhabditis elegans, затем на плодовых мушках Drosophila melanogaster — обладателях сравнительно простых нервных систем. На следующем этапе исследований предлагалось перейти к рыбкам Danio rerio (известных в англоязычной литературе под именем Zebrafish — рыба-зебра), мышам и (ВНЕЗАПНО!) этрусской землеройке (она же карликовая многозубка) [1071] .
1071
Alivisatos P. A., Chun M., Church G. M., Greenspan R. J., Roukes M. L., Yuste R. (2012). The Brain Activity Map Project and the Challenge of Functional Connectomics / Neuron, Vol. 74, Iss. 6, pp. 970—974, June 21, 2012 // https://doi.org/10.1016/j.neuron.2012.06.006
Кстати
1072
Jurgens K. D. (2002). Etruscan shrew muscle: the consequences of being small. The Journal of Experimental Biology. 205 (Pt 15): 2161–2166 // https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12110649
От землероек можно будет перейти к приматам, в том числе — на последнем этапе — к людям. Среди технологий, предлагаемых для разработки авторами статьи: наночастицы, которые могли бы использоваться в качестве датчиков, способных определять потенциалы действия в отдельных нейронах; нанозонды, которые могли бы служить в качестве электрофизиологических многоэлектродных массивов; многообещающие методы, основанные на синтетической биологии, и множество других прекрасных гитик [1073] .
1073
Alivisatos P. A., Chun M., Church G. M., Greenspan R. J., Roukes M. L., Yuste R. (2012). The Brain Activity Map Project and the Challenge of Functional Connectomics / Neuron, Vol. 74, Iss. 6, pp. 970—974, June 21, 2012 // https://doi.org/10.1016/j.neuron.2012.06.006
Интересен мультидисциплинарный состав авторов этого своеобразного манифеста. Аливизатос — химик и пионер в области развития наноматериалов, Миянг Чунь — биохимик, Джордж Чёрч — генетик, химик и молекулярный инженер, Ральф Гринспен и Рафаэль Юст — нейробиологи, Майкл Рукс — физик.
Что сделано сегодня из обозначенного в статье 2012-го? Не так уж мало.
Первый коннектом живого существа, а именно нематоды C. elegans, был построен в далёком 1986 г. группой исследователей во главе с биологом Сидни Бреннером из Кембриджа. Бреннер и его коллеги аккуратно нарезали миллиметровых червей на тонкие ломтики и сфотографировали каждый срез с помощью плёночной камеры, установленной на электронном микроскопе, а затем по полученным снимкам вручную проследили все связи между нейронами [1074] . Однако у C. elegans всего 302 нейрона и около 7600 синапсов. В 2016 г. команда учёных из Университета Дэлхаузи в Канаде повторила подвиг своих коллег для личинки морского оболочника Ciona intestinalis, центральная нервная система которого, как выяснилось, состояла из 177 нейронов и 6618 синаптических соединений [1075] . Однако надо заметить, что методы, используемые для построения коннектома, неэффективны для крупных нервных систем. Исследователи не задумывались всерьёз о том, чтобы приступить к осуществлению значительно более крупных проектов до 2004 г., когда физик Винфрид Денк и нейроанатом Хайнц Хорстманн из Института медицинских исследований Общества Макса Планка предложили новый метод, основанный на использовании автоматического микроскопа для разрезания и визуализации мозга, а также специализированного программного обеспечения для сбора и соединения результирующих изображений [1076] .
1074
White J. G., Southgate E., Thomson J. N., Brenner S. (1986). The structure of the nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans / Philosophical Transactions of the Royal Society B, Vol. 314, Iss. 1165, 12 November 1986, pp. 1—340 // https://doi.org/10.1098/rstb.1986.0056
1075
Ryan R., Lu Z., Meinertzhagen I. A. (2016). The CNS connectome of a tadpole larva of Ciona intestinalis (L.) highlights sidedness in the brain of a chordate sibling / eLife 2016; 5:e16962 // https://doi.org/10.7554/eLife.16962
1076
DeWeerdt S. (2019). How to map the brain / Nature, Vol. 571, S6-S8, 24 July 2019 // https://www.nature.com/articles/d41586-019-02208-0
В 2019 г. в журнале Nature появилась публикация доктора Скотта Эммонса и его коллег из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна (Albert Einstein College of Medicine) с подробным отчётом о воссоздании коннектома обоих полов (гермафродита и самца) нематоды C. elegans при помощи вышеуказанного метода [1077] . Годом раньше группа учёных под руководством Чжихао Чжэна из Принстонского университета завершила работу над сканированием мозга дрозофилы, состоящего из примерно 100 000 нейронов. Система, разработанная Чжэном и его коллегами, позволила пропустить через просвечивающий растровый электронный микроскоп более 7000 тончайших срезов мозга мушки, толщина каждого из которых составляла порядка 40 нм, а суммарный размер полученных в результате изображений составил 40 трлн пикселей [1078] , [1079] .
1077
Cook S. J., Jarrell T. A., Brittin C. A., Wang Y., Bloniarz A. E., Yakovlev M. A., Nguyen K. C. Q., Tang L. T.-H., Bayer E. A., Duerr J. S., Bulow H. E., Hobert O., Hall D. H., Emmons S. W. (2019). Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes / Nature, Vol. 571, pp. 63—71 // https://doi.org/10.1038/s41586-019-1352-7
1078
Zheng Z., Lauritzen J. S., Perlman E., Robinson C. G., Nichols M., Milkie D., Torrens O., Price J., Fisher C. B., Sharifi N., Calle-Schuler S. A., Kmecova L., Ali I. J., Karsh B., Trautman E. T., Bogovic J. A., Hanslovsky P., Jefferis G. S. X. E., Kazhdan M., Khairy K., Saalfeld S., Fetter R. D., Bock D. D. A Complete Electron Microscopy Volume of the Brain of Adult Drosophila melanogaster / Cell, Vol. 174, Iss. 3, pp. 730—743.E22, July 26, 2018 // https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.06.019
1079
Li P. H., Maitin-Shepard J. (2019). An Interactive, Automated 3D Reconstruction of a Fly Brain / Google AI Blog, August 5, 2019 // https://ai.googleblog.com/2019/08/an-interactive-automated-3d.html