На протяжении десятилетий нейробиологи лелеяли, казалось бы, логичную идею. Если составить полную карту всех связей между нейронами мозга — так называемый «коннектом» — можно понять принципы его работы. 

Во второй половине XX века стартовали глобальные проекты по картографированию мозга человека и других животных. Однако дала о себя знать техническая сложность задачи. Мозг человека содержит примерно 86 миллиардов нейронов, каждый из которых формирует тысячи связей с соседями (синапсы). Карта такого масштаба пока остается фантастикой.

По этой причине ученые сосредоточились на более простых организмах. Золотым стандартом уже много лет служит почвенный круглый червь Caenorhabditis elegans. Этот крошечный организм стал первым живым существом, чью нервную систему ученые полностью описали. Его коннектом известен с 1986 года. Он содержит всего 302 нейрона (у гермафродитной особи) — несопоставимо мало по сравнению с человеческим мозгом, но достаточно, чтобы изучать базовые принципы нейронных сетей. Исследователи надеялись, что, поняв, как работает «простой» мозг червя, они смогут экстраполировать эти знания на более сложные организмы.

Команда американских исследователей под руководством Софи Двали (Sophie Dvali) из Принстонского университета решила проверить эту фундаментальную гипотезу. Они задались вопросом: действительно ли карта возможных путей — коннектом — отражает реальное движение сигналов?

Статья по теме: Ученые выяснили, что расположение жира в теле по-разному отражается на мозге

Ученые провели уникальный эксперимент. Они взяли известный коннектом червя Caenorhabditis elegans и сравнили его с новой, динамической картой нейронной активности. Чтобы создать эту карту, исследователи поочередно стимулировали каждый из примерно трехсот нейронов червя и с высокой точностью отслеживали, как генерируемый сигнал распространяется по всей нервной системе. Это стало возможным именно благодаря простоте организма.

Затем команда представила обе карты — статическую схему связей и динамическую карту сигналов — в виде математических сетей. Это позволило провести количественный анализ. Ученые искали ответ на ключевой вопрос: совпадают ли группы нейронов с максимально плотными связями в коннектоме с группами, которые активнее всего обмениваются реальными сигналами?

Оказалось, что полного совпадения нет. Двали и ее коллеги пояснили, что в некоторых случаях корреляция действительно наблюдалась. Например, группы нейронов, отвечающие за питание, работали почти точно так, как показывала схема его «проводки». То есть там, где на карте видно густое переплетение связей, реально происходило много сигналов. Это относилось и к нейронам, управляющим движением назад — это важный маневр, помогающий червю спасаться от опасности. В этих случаях и структура, и реальные сигналы демонстрировали плотные связи, хотя не полностью идентичные.

Но во многих других случаях наблюдались серьезные расхождения. Это означало, что наличие связи в коннектоме не гарантирует ее активного использования. Сигналы не всегда выбирают кратчайший путь, а иногда нейроны могут общаться вовсе без прямых соединений — другими способами.

Такое открытие подтверждает, что одного коннектома недостаточно, чтобы объяснить все поведение организма. Сам коннектом ценен и дает много информации, но слишком часто оказывается, что без дополнительных данных он не раскрывает всей картины.

Теперь команда планирует усложнить задачу. Ученые хотят проследить, как меняется передача сигналов, если стимулировать сразу несколько нейронов. Следующий объект исследований — личинка плодовой мушки. У нее описан самый большой на сегодня полный коннектом мозга среди животных. 

Результаты исследования опубликованы в журнале PRX Life.