Охота на электроовец. Большая книга искусственного интеллекта - Марков Сергей Николаевич
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].
Пятого августа 2019 г. команда, в которую, помимо Чжэна, входили специалисты из исследовательской группы Connectomics компании Google, а также их коллеги из Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) и Кембриджского университета, опубликовала основанную на собранных годом ранее данных работу «Автоматическая реконструкция мозга дрозофилы на базе электронной микроскопии последовательных сечений с помощью закрашивающих сетей и локальной коррекции выравнивания» (Automated Reconstruction of a Serial-Section EM Drosophila Brain with Flood-Filling Networks and Local Realignment), в которой демонстрируется метод, способный с использованием нейросетевой модели автоматически воссоздавать объёмную карту связей нейронов [1080]. Запись в блоге Google AI, опубликованная за год до выхода статьи, посвящённой реконструкции мозга дрозофилы, показывает работу алгоритма на примере мозга зебровой амадины (Taeniopygia guttata) [1081], которая по-английски называется Zebra finch. Быть может, какой-то стажёр из Google перепутал Zebrafish с Zebra finch, а в эти минуты уже подкрадывается с микротомом к кубинскому щелезубу, перепутав его с карликовой многозубкой?
В апреле 2019 г. сотрудники Алленовского института головного мозга в Сиэтле отпраздновали преодоление последнего рубежа в проекте по картированию одного кубического миллиметра мозга мыши с его 100 000 нейронов и одним миллиардом связей между ними. Чтобы обработать образец размером с горчичное зёрнышко, микроскопы работали непрерывно в течение пяти месяцев, собрав более 100 млн изображений 25 000 срезов зрительной коры. Затем программному обеспечению, разработанному учёными института, потребовалось около трёх месяцев, чтобы объединить изображения в единый трёхмерный массив объёмом 2 петабайта (т. е. 2 млн гигабайт). Все собранные более чем за тридцать лет миссиями Landsat снимки нашей планеты занимают всего около 1,3 петабайта, что делает сканы мозга мыши практически «целым миром в песчинке», говорит нейробиолог Клэй Рэйд, обыгрывая слова английского поэта Уильяма Блейка [To see a World in a Grain of Sand].
Первого июня 2021 г. в исследовательском блоге компании Google появилось сообщение [1082], что её исследователи совместно с коллегами из Лаборатории Лихтмана (Lichtman Laboratory) в Гарвардском университете опубликовали датасет под названием H01. Этот набор данных объёмом 1,4 петабайта содержит информацию о небольшом фрагменте коры головного мозга человека. Ряд технических подробностей можно узнать из сопроводительной статьи под названием «Коннектомное исследование петамасштабного фрагмента коры мозга человека» (A connectomic study of a petascale fragment of human cerebral cortex) [1083], вышедшей днём ранее на сайте препринтов bioRxiv.
В ходе хирургической операции из височной доли коры головного мозга 45-летней пациентки, страдающей от устойчивой к медикаментам эпилепсии, был извлечён положенный в основу исследования фрагмент ткани объёмом около кубического миллиметра. При помощи микротома этот фрагмент был разделён более чем на 5000 срезов толщиной 30 нм, а затем обработан многолучевым сканирующим электронным микроскопом с разрешением 4 × 4 нм. После этого полученные данные были превращены в трёхмерную модель при помощи уже ранее знакомых нам закрашивающих сетей (Flood-Filling Networks, FFNs) и вспомогательных вычислительных моделей. Полученный датасет содержит детальные сведения о 50 000 клеток, сотнях миллионов их отростков (авторы статьи употребляют термин «нейриты» — собирательное понятие для аксонов и дендритов) и примерно 130 млн синапсов. На сегодняшний день H01 является крупнейшим размеченным набором данных, описывающим образец мозговой ткани человека.
Ознакомиться с данными можно в обычном браузере при помощи специального интерфейса, получившего название Neuroglancer (дословно: нейронаблюдатель) [1084].
Ещё одним важным результатом, полученным в последнее десятилетие, стало создание трёхмерной модели синапса в атомарном разрешении, включающей около 300 000 молекул, принадлежащих к 60 различным белкам [1085], [1086].
Хотя в ходе упомянутых исследований и достигнут несомненный прогресс, конечная цель — наноразмерный коннектом человеческого мозга — пока ещё далеко. Число нейронов в нём сопоставимо с количеством звёзд в Млечном Пути (порядка 1011). При использовании современной технологии обработки изображений потребуются десятки микроскопов, работающих круглосуточно на протяжении тысячи лет, чтобы собрать данные, необходимые для достижения конечной цели.
Удивительно, что лишь недавно удалось обнаружить некоторые новые типы клеток мозга, а также уточнить функции известных ранее клеток. Например, в 2015 г. учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) разработали количественную модель ранее неизвестной взаимосвязи между астроцитами [1087] и нейронами [1088]. А в 2023 г. учёным из Лозаннского университета (Université de Lausanne) удалось обнаружить новую разновидность специализированных астроцитов, участвующих в переносе одного из нейромедиаторов — глутаминовой кислоты (глутамата) [1089]. Словом, в 2020-е гг. рубрика «Новости анатомии» всё ещё не является курьёзным анахронизмом.
Но достижения в области микроскопии, а также разработка более мощных компьютеров и алгоритмов для анализа изображений продвинули область коннектомики вперёд столь быстро, что это удивляет и самих исследователей. «Пять лет назад было слишком амбициозно думать о кубическом миллиметре», — говорил Рэйд в 2019 г. Сегодня многие исследователи считают, что полное картирование мозга мыши, объём которого составляет около 500 кубических миллиметров, станет возможным уже в этом десятилетии. «Сегодня картирование человеческого мозга на синаптическом уровне может показаться невероятным. Но если прогресс в вычислительных мощностях и в научных методах будет идти вперёд теми же темпами, ещё одно тысячекратное увеличение возможностей уже не кажется нам немыслимым» [1090].
