«Мозг: итоги 2024» — разбор ключевых научных статей из лекции Константина Анохина

в 13:44, , рубрики: дрозофила, мозг, мозговая активность, научные статьи, нейробиология, нейронаука, нейронная активность, нейроны, речь, сознание

19 февраля в центре «Архэ» прошла очень информативная лекция Константина Анохина, в рамках которой он провел обзор ключевых статей, опубликованных по теме мозга в 2024 году в ведущих научных журналах. Главный тренд — это связка «мозг-ИИ». Как в плане активного использования машинного обучения для обработки и интерпретации данных, так и в плане открытий, которые могут быть полезны в технологиях ИИ. От коннектомов дрозофилы, мыши и человека до нейронных основ языка и проекта «Machine Intelligence from Cortical Networks».

Для наглядности и удобства, я составил конспект, разобрав и приведя все ссылки на статьи и интерактивные демонстрации, которые упоминаются в презентации. Сразу скажу, что конспект не заменяет, а дополняет лекцию, поэтому рекомендую посмотреть запись.


Если провести поиск в базе PubMed, то всего за 2024 год было опубликовано около 550 тысяч статей по теме мозга.

brain OR neuro* OR nervous OR neural OR synap* OR axon* OR cerebral OR hippocamp* OR cognit* OR behavio* OR psycho* OR learning OR conscious* OR mental

В первую очередь, Константин Владимирович разбирает статью «The landscape of biomedical research», в которой авторы проанализировали с помощью языковой модели аннотации 1,5 миллиона статей, вышедших на PubMed за год, а также суммарно 21 миллиона статей, вышедших за несколько последних десятилетий. С помощью метода kNN построили карту с кластеризацией по темам исследований, а также целый ряд карт, иллюстрирующих более узкие вопросы. Основную карту можно посмотреть также в интерактивном формате.

Статьи по нейронаучным темам: (A) окрашенные по наличию определенных ключевых слов в заголовках, (B) окрашенные по году публикации, (C) доля статей, которые относились к указанной дисциплине (по методу kNN)

Статьи по нейронаучным темам: (A) окрашенные по наличию определенных ключевых слов в заголовках, (B) окрашенные по году публикации, (C) доля статей, которые относились к указанной дисциплине (по методу kNN)

Далее я приведу по разделам список всех статей, которые упоминались в лекции, с кратким описанием и ссылкой на страницу статьи в журнале и PDF-версию.

Коннектом дрозофилы

«Neuronal wiring diagram of an adult brain»
Nature | PDF

Авторы представляют полный нейронный коннектом взрослой самки Drosophila melanogaster, включающий 139 255 нейронов и около 50 миллионов синапсов. Данные аннотированы по типам клеток, нейромедиаторам и связям между областями мозга, доступны для анализа и программного доступа. Исследуется передача информации от сенсорных входов к моторным и эндокринным выходам, а также связи между центральным мозгом и зрительными долями. Трассировка путей от фоторецепторов к моторным нейронам помогает выявить механизмы сенсомоторного поведения.

Помимо основной статьи, в Nature вышел также целый ряд статей с анализом коннектома, 8 из которых упоминаются в лекции:

  • Predicting visual function by interpreting a neuronal wiring diagram
    Nature | PDF

  • The fly connectome reveals a path to the effectome
    Nature | PDF

  • Connectomic reconstruction predicts visual features used for navigation
    Nature | PDF

  • Neuronal parts list and wiring diagram for a visual system
    Nature | PDF

  • A Drosophila computational brain model reveals sensorimotor processing
    Nature | PDF

  • Network statistics of the whole-brain connectome of Drosophila
    Nature | PDF

  • Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosophila
    Nature | PDF

  • Synaptic architecture of leg and wing premotor control networks in Drosophila
    Nature (ограниченный доступ)

Коннектом данио-рерио

«Predicting modular functions and neural coding of behavior from a synaptic wiring diagram»
Nature | PDF

Авторы реконструируют и анализируют коннектом ствола мозга личинки Danio rerio, чтобы предсказать ключевые функциональные свойства и подтвердить их экспериментально. Исследование выявляет модули нейронных цепей, ответственные за определенные поведенческие функции, и предлагает механизмы нейронного кодирования, лежащие в основе этих функций. Результаты подчеркивают важность структурной организации нейронных сетей для понимания их функциональной роли в поведении.

Коннектом мыши

MICrONS Explorer — это портал, предоставляющий доступ к информации о связях и функциональной активности нейронных цепей, собранной консорциумом лабораторий под руководством Института мозга Аллена, Принстонского университета и Медицинского колледжа Бейлора.

Цель программы MICrONS (Machine Intelligence from Cortical Networks) — революционизировать машинное обучение путем обратного инжиниринга алгоритмов мозга. На сайте представлены крупномасштабные реконструкции кортикальных цепей зрительной коры мыши, основанные на данных электронной микроскопии, а также соответствующие данные функциональной визуализации тех же нейронов.

В настоящее время доступны два набора данных — Cortical mm³ Dataset и Layer 2/3 Dataset.

Коннектом человека

«A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale»
Science (ограниченный доступ) | PubMed Central

Ученые из Гарвардского университета и Google Research создали детализированную трехмерную реконструкцию кубического миллиметра ткани височной коры человеческого мозга с нанометровым разрешением. Этот объем данных (названный H01), размером 1,4 петабайт, включает около 57 000 клеток, 230 мм кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов.

Анализ показал, что глиальные клетки превышают число нейронов в соотношении 2:1, а олигодендроциты являются их наиболее распространенным типом. Исследователи также классифицировали возбуждающие нейроны глубоких слоев по ориентации их дендритов.

Одним из ключевых открытий стало выявление редких, но мощных аксональных входов, где отдельные аксоны формируют до 50 синапсов на одном нейроне, что может указывать на их особую функциональную роль.

Эта реконструкция представляет собой уникальный ресурс для изучения организации мозга на микроуровне.

На портале H01 Release датасеты и отдельные выборки сразу можно посмотреть интерактивно в интерфейсе Neuroglancer в разделах Explore и Gallery.

Нейронные основы высших функций

«Simultaneous, cortex-wide dynamics of up to 1 million neurons reveal unbounded scaling of dimensionality with neuron number»
Neuron (ограниченный доступ)

Ученые из Рокфеллеровского университета с помощью метода Light Beads Microscopy (LBM) одновременно зарегистрировали активность до 1 миллиона нейронов в коре головного мозга мышей. Они обнаружили, что по мере увеличения числа наблюдаемых нейронов размерность их активности продолжает расти, без признаков ограничения. Это означает, что мозг использует довольно сложные, многомерные способы кодирования информации. Часть этой активности связана с поведением, но значительная доля отражает внутренние процессы мозга, которые пока сложно объяснить. Исследование показывает, что для понимания работы мозга нужно изучать его в больших масштабах, а не пытаться свести активность к простым моделям.

«Single-neuron representations of odours in the human brain»
Nature | PDF

Ученые представили данные о регистрации активности отдельных нейронов в пириформной коре и медиальной височной доле у бодрствующих людей во время оценки запахов. Результаты показали, что отдельные нейроны в этих областях мозга избирательно реагируют на определенные запахи, формируя уникальные представления о каждом из них. Исследование предоставляет новые сведения о том, как человеческий мозг кодирует и различает различные запахи на уровне отдельных нейронов.

«Abstract representations emerge in human hippocampal neurons during inference»
Nature | PDF

В исследовании ученые показали, как нейроны гиппокампа помогают человеку делать логические выводы и находить скрытые связи между объектами. Они обнаружили, что эти нейроны кодируют не только конкретную информацию, но и позволяют мозгу обобщать и делать выводы на основе уже известного. Это подтверждает, что гиппокамп играет ключевую роль не только в памяти, но и в умении находить связи между разными понятиями, даже если они напрямую не встречались раньше.

«Neuronal sequences in population bursts encode information in human cortex»
Nature (ограниченный доступ)

Авторы статьи показывают, как последовательности спайковой активности популяции нейронов кодируют информацию в человеческом мозге. Они обнаружили, что порядок этих спайков меняется в зависимости от категории стимула, создавая уникальные последовательности для каждой категории и даже для отдельных примеров внутри нее. Эта информация, закодированная в порядке групповых спайков, является независимой и указывает на существование в человеческом мозге дополнительного механизма кодирования информации, дополняющего уже известные.

Нейронные основы языка

Технология Neuropixels — это высокоплотные мультиэлектродные зонды, разработанные для одновременной регистрации активности сотен и даже тысяч нейронов с высокой временной и пространственной точностью, позволяя исследовать распределенные нейронные сети в реальном времени.

Каждый зонд содержит 960 записывающих точек, из которых можно одновременно активировать 384 канала, а его тонкая структура (около 70 мкм) минимизирует повреждение тканей при имплантации. Благодаря высокому разрешению (расстояние между электродами 15–20 мкм) Neuropixels обеспечивают детализированное картирование. Версия Neuropixels 2.0, представленная в 2021 году, стала еще тоньше, гибче и долговечнее.

Исследования, в которых была использована технология:

«Large-scale single-neuron speech sound encoding across the depth of human cortex»
Nature | PDF

В исследовании ученые использовали электроды Neuropixels для регистрации активности отдельных нейронов в коре головного мозга человека во время восприятия речи. Результаты показали, что отдельные нейроны кодируют широкий спектр речевых сигналов, включая особенности согласных и гласных звуков, относительную высоту голоса, начала звуков и амплитудные огибающие. Это исследование предоставляет новые данные о том, как мозг обрабатывает различные компоненты речи на уровне отдельных нейронов.

Также отдельно в коротких роликах можно посмотреть пример восприятия музыки и речи.

«Single-neuronal elements of speech production in humans»
Nature | PDF

В данном исследовании ученые также использовали электроды Neuropixels для изучения активности отдельных нейронов в префронтальной коре человека во время планирования и производства речи. Они обнаружили, что эти нейроны кодируют подробную информацию о фонетической структуре и последовательности планируемых слов, отражая сегментацию фонетических последовательностей на отдельные слоги. Кроме того, активность этих нейронов предсказывала фонетические, слоговые и морфологические компоненты предстоящих слов, демонстрируя упорядоченную динамику во времени. Исследование также показало, что эти клетки отслеживают состав согласных и гласных звуков во время восприятия речи и различают процессы, связанные с говорением и слушанием.

«Semantic encoding during language comprehension at single-cell resolution»
Nature | PDF

Еще одно исследование, в рамках которого было показано, как отдельные нейроны в левой префронтальной коре человека кодируют семантическую информацию во время восприятия речи. Записывая активность этих нейронов, участники прослушивали разнообразные по смыслу предложения и рассказы. Результаты показали, что отдельные нейроны избирательно реагируют на определенные значения слов и способны различать слова и бессмысленные наборы звуков. Активность этих нейронов динамически отражала значение слов в конкретном контексте предложения, независимо от их фонетической формы. Кроме того, ансамбли этих клеток точно предсказывали широкие семантические категории слов в реальном времени и отслеживали структуру предложений, в которых они появлялись.

Еще одна статья из Nature, которая была упомянута и посвящена исследованию семантических представлений на уровне отдельных нейронов — «Ultra-detailed brain map shows neurons that encode words’ meaning» (ограниченный доступ).

Сон и память

«Latent learning drives sleep-dependent plasticity in distinct CA1 subpopulations»
Cell Reports | PDF

В исследовании ученые из MIT проанализировали, как латентное обучение способствует формированию когнитивных карт в гиппокампе мышей. Этот процесс связан с повторной активацией во время сна нейронных паттернов, связанных с навигационным опытом. Результаты исследования подчеркивают важность сна в консолидации памяти и формировании когнитивных карт.  

«Membrane potential states gate synaptic consolidation in human neocortical tissue»
Nature Communications | PDF

Авторы изучили, как состояния мембранного потенциала влияют на синаптическую консолидацию у человека. Результаты показали, что медленные волны в мозге способствуют укреплению синаптических связей, связывая нейронную активность с процессами консолидации. Это исследование предоставляет «механистическое» объяснение того, как синхронизация нейронной активности с медленными волнами может способствовать долговременному укреплению синапсов.

Болезнь Альцгеймера

«Lifetime risk and projected burden of dementia»
Nature Medicine (ограниченный доступ)

Ученые оценили риск развития деменции в течение жизни у людей старше 55 лет, который составил 42%. Риск оказался значительно выше у женщин, чернокожих взрослых и носителей аллеля APOE ε4. Эти данные подчеркивают необходимость разработки стратегий профилактики и лечения деменции, особенно для групп с повышенным риском. 

Сознание

«Cognitive Motor Dissociation in Disorders of Consciousness»
New England Journal of Medicine | PDF

В исследовании изучается феномен когнитивно-моторной диссоциации (КМД) у пациентов с нарушениями сознания. КМД характеризуется состоянием, при котором пациенты с тяжелыми повреждениями мозга кажутся поведенчески не реагирующими, но при этом сохраняют скрытую когнитивную активность. Авторы подчеркивают важность использования нейрофизиологических методов, таких как функциональная МРТ и ЭЭГ, для выявления КМД, что может существенно повлиять на диагностику и прогнозирование восстановления сознания у таких пациентов.

Нью-Йоркская декларация о сознании животных (The New York Declaration on Animal Consciousness) — документ, опубликованный 19 апреля 2024 года группой из 40 ученых из разных стран, включая специалистов по сознанию, нейробиологов и этологов. Декларация состоит из трех основных положений:

  1. Существуют убедительные научные доказательства того, что млекопитающие и птицы способны испытывать сознательный опыт

  2. Эмпирические данные указывают на реальную возможность наличия феноменального сознания у всех позвоночных (включая рептилий, амфибий и рыб) и многих беспозвоночных, таких как головоногие моллюски, десятиногие ракообразные и насекомые

  3. Игнорирование этих фактов при принятии решений, затрагивающих животных, является безответственным. Необходимо учитывать возможные риски для их благополучия и опираться на научные данные при разработке соответствующих мер

Декларация была впервые представлена на конференции «The Emerging Science of Animal Consciousness» в Нью-Йорке. Документ остается открытым для подписания специалистами с релевантным опытом, и на момент написания этой статьи его поддержали несколько сотен ученых, включая самого Константина Анохина.

Цель декларации — привлечь внимание к необходимости дальнейших исследований в области сознания животных и пересмотра этических норм в их отношении.

«Bumblebees socially learn behaviour too complex to innovate alone»
Nature | PDF

В исследовании ученые продемонстрировали, что шмели способны обучаться сложному поведению через социальное обучение. В эксперименте шмели наблюдали за «демонстраторами», которые открывали двухступенчатую коробку-головоломку для получения пищи. Наблюдатели успешно перенимали этот навык, несмотря на то, что самостоятельно не имели возможность его приобрести.


Конспект, как и лекция получились очень насыщенными. Одни только статьи по коннектомам и интерактивные карты можно изучать весь предстоящий год. В своем телеграм-канале «Вечное сияние чистого разума» буду делиться разборами и другими исследованиями.

* Изображение обложки взято из статьи «Largest brain map ever reveals fruit fly’s neurons in exquisite detail»

Автор: pavel_smolnikov

Источник


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js