Хуан Гертнер / Getty Images
Есть видео, которое показывают почти в каждом вводном курсе нейробиологии. Выглядит не очень — полоса света, смещающаяся и вращающаяся на черном экране, в то время как фоновый звук трещит и трещит, как звук далекого фейерверка. Сухая чепуха, пока вы не узнаете, что хлопки представляют возбуждение одного нейрона в мозгу кошки, которая наблюдает за движением полосы на экране. Когда стержень достигает определенного места и ложится под определенным углом, хлопки взрываются в грандиозном финале безумной активности. Сообщение ясное: этот нейрон очень, очень заботится об этой полосе.
Эксперимент, показанный в видео, был проведен Дэвидом Хьюбелем и Торстеном Визелем в 1960-х годах и помог ученым вывести основные принципы работы зрительной системы. На протяжении десятилетий нейробиологи втыкали тонкие металлические электроды в мозг мышей, вьюрков и обезьян, чтобы следить за отдельными нейронами и выяснять, что их возбуждает. Есть нейроны, которые реагируют на определенные цвета или формы; или в определенные места в пространстве или в направлении головы; или к целым лицам или отдельным чертам.
Как показал анализ одиночных клеток, «всем всегда хотелось больше нейронов», — говорит Энн Черчленд, профессор нейробиологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Частично причина заключалась в простой статистике: чем больше наблюдений, тем лучше, независимо от эксперимента. Но ученые также столкнулись с аналитическими стенами, когда изучали нейроны один за другим. В префронтальной коре, области в передней части мозга, которая играет важную роль в планировании, принятии решений и социальном поведении, нейроны реагируют на такое разнообразие вещей — зрительные функции, задачи, решения, — что исследователи не смогли определить. назначать им какую-то конкретную роль, хотя бы по отдельности. Даже в первичной зрительной коре, области далеко в задней части мозга, где Хьюбел и Визель делали свои записи, только часть нейронов активируется, когда животное смотрит на ориентированные полосы.
С помощью методов Хьюбела и Визеля одновременное изучение нескольких нейронов было невозможным. Но инженеры наращивали и расширяли эту возможность, кульминацией чего стала разработка зондов Neuropixels в 2017 году. Один сантиметр в длину и сделанный из кремния, один зонд может прослушивать сотни нейронов одновременно, и он достаточно мал, чтобы нейробиологи могли вставить несколько из них. мозг животного. В Allen Institute, некоммерческом исследовательском институте, основанном соучредителем Microsoft Полом Алленом, они использовали шесть датчиков Neuropixels для одновременной записи из восьми различных областей зрительной системы мыши. В августе институт опубликовал данные о 81 мышах, включающие активность около 300 000 нейронов. Данные находятся в свободном доступе для любых исследователей, которые могут захотеть их использовать.
Это крупнейший когда-либо собранный набор данных такого рода — в три раза больше, чем у предыдущего рекордсмена — и позволяет исследователям наблюдать за огромными группами нейронов, действующими согласованно. Этот беспрецедентный масштаб может открыть возможности для понимания тех частей познания, которые ранее ускользали от внимания научного сообщества. «Мы хотим понять, как мы думаем, видим и принимаем решения», — говорит Шон Олсен, исследователь из Института Аллена, сыгравший центральную роль в проекте. «И это просто не происходит на уровне отдельных нейронов».
Теперь задача состоит в том, чтобы выяснить, как анализировать все эти данные. Гигантские наборы данных непросты в обращении; даже поделиться ими и загрузить их может быть сложно. Но каким бы сложным ни оказался анализ, работа с такими наборами данных в высшей степени оправдана для многих исследователей, поскольку позволяет им изучать мозг на его собственных условиях.
Для Хьюбела и Визеля мозг был похож на конвейер: группы нейронов, каждый из которых специализирован для определенной роли, разделяя и выполняя каждую задачу. Покажите кому-нибудь красный шарик, и нейроны, чувствительные к красному цвету и кругам, отреагируют самостоятельно. Но этот подход никогда не соответствовал тому, как на самом деле функционирует мозг — он настолько плотно устроен, что ни один нейрон никогда не действует изолированно. «Мозг не смотрит на один нейрон за раз, — говорит Стефано Фузи, профессор неврологии Колумбийского университета. «Нейроны, они смотрят на тысячи других нейронов. Поэтому мы должны придерживаться той же точки зрения».
