우리가 생각하는 방식을 이해하기 위한 탐구에서 '모든 것이 이것에 도달했습 니다' - ScienceDaily

연구자들은 지금까지 가장 발전된 곤충의 뇌 지도를 완성했으며, 이는 과학자들이 생각의 메커니즘에 대한 진정한 이해에 더 가까이 다가가게 하는 신경과학의 획기적인 업적입니다.

존스 홉킨스 대학과 케임브리지 대학이 이끄는 국제 팀은 초파리 애벌레 뇌의 모든 신경 연결을 추적하는 놀랍도록 상세한 다이어그램을 제작했습니다. 인간과 비슷한 뇌를 가진 전형적인 과학 모델입니다.

미래의 뇌 연구를 뒷받침하고 새로운 기계 학습 아키텍처에 영감을 줄 가능성이 있는 이 작업은 오늘 저널에 게재됩니다. 과학.

“우리가 누구인지, 어떻게 생각하는지 이해하려면 생각의 메커니즘을 이해하는 것이 그 일부입니다.” 커넥토믹스를 포함한 데이터 기반 프로젝트를 전문으로 하는 존스 홉킨스 생물 의학 엔지니어이자 수석 저자인 조슈아 T. 보겔스타인(Joshua T. Vogelstein)은 말했습니다. 신경계 연결의. “그리고 그 핵심은 뉴런이 서로 연결되는 방식을 아는 것입니다.”

1970년대에 시작된 회충에 대한 14년간의 연구인 뇌 지도 작성에 대한 첫 번째 시도는 부분 지도와 노벨상을 수상했습니다. 그 이후로 파리, 생쥐, 심지어 인간을 포함한 많은 시스템에서 부분적인 커넥톰이 매핑되었지만 이러한 재구성은 일반적으로 전체 뇌의 아주 작은 부분만을 나타냅니다. 포괄적인 커넥톰은 회충, 멍게 애벌레, 해양 환형동물 애벌레와 같이 몸에 수백에서 수천 개의 뉴런이 있는 몇몇 작은 종에 대해서만 생성되었습니다.

이 팀의 아기 초파리의 커넥톰, 초파리 멜라노가스터 larva는 지금까지 완성된 전체 곤충 뇌에 대한 가장 완전하고 광범위한 지도입니다. 그것은 3,016개의 뉴런과 그들 사이의 모든 연결을 포함합니다: 548,000.

“50년이 흘렀고 이것은 최초의 뇌 연결체입니다. 우리가 이것을 할 수 있다는 것은 모래 위의 깃발입니다.”라고 Vogelstein은 말했습니다. “모든 것이 이것에 도달했습니다.”

최고의 현대 기술을 사용하더라도 전체 두뇌를 매핑하는 것은 어렵고 시간이 많이 걸립니다. 뇌의 완전한 세포 수준 사진을 얻으려면 뇌를 수백 또는 수천 개의 개별 조직 샘플로 잘라야 합니다. 모든 조각은 뉴런 단위로 전체 조각으로 재구성하는 힘든 과정을 거치기 전에 전자 현미경으로 이미지를 촬영해야 합니다. , 뇌의 정확한 초상화. 아기 초파리로 그렇게 하는 데 10년 이상이 걸렸습니다. 생쥐의 뇌는 새끼 초파리보다 백만 배 더 큰 것으로 추산됩니다. 즉, 인간의 뇌에 가까운 지도를 작성할 가능성은 가까운 미래에, 심지어 우리의 생애에도 없을 것입니다.

팀은 의도적으로 초파리 유충을 선택했는데, 곤충의 경우 유사한 유전적 기반을 포함하여 인간과 기본적인 생물학의 많은 부분을 공유하기 때문입니다. 또한 학습 및 의사 결정 행동이 풍부하여 신경 과학에서 유용한 모델 유기체가 됩니다. 그리고 실용적인 목적을 위해 상대적으로 작은 뇌를 이미지화하고 합리적인 시간 내에 회로를 재구성할 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 케임브리지 대학과 존스 홉킨스 대학은 이 작업에 12년이 걸렸습니다. 이미징에만 뉴런당 약 하루가 걸렸습니다.

케임브리지 연구원들은 뇌의 고해상도 이미지를 만들고 개별 뉴런을 찾기 위해 수동으로 연구하여 각 뉴런을 엄격하게 추적하고 시냅스 연결을 연결했습니다.

케임브리지는 데이터를 존스 홉킨스에 ​​넘겼고, 팀은 뇌의 연결성을 분석하기 위해 만든 원본 코드를 사용하여 3년 이상을 보냈습니다. Johns Hopkins 팀은 공유 연결 패턴을 기반으로 뉴런 그룹을 찾는 기술을 개발한 다음 정보가 뇌를 통해 전파되는 방법을 분석했습니다.

결국 전체 팀은 모든 뉴런과 모든 연결을 차트로 작성하고 뇌에서 수행하는 역할에 따라 각 뉴런을 분류했습니다. 그들은 뇌의 가장 바쁜 회로가 학습 센터의 뉴런으로 연결되고 뉴런에서 멀어지는 회로임을 발견했습니다.

Johns Hopkins가 개발한 방법은 모든 뇌 연결 프로젝트에 적용할 수 있으며 코드는 더 큰 동물 뇌를 지도화하려는 모든 사람이 사용할 수 있다고 Vogelstein은 말했습니다. 다음 10년. 다른 팀들은 이미 다 자란 초파리의 뇌 지도를 작업하고 있습니다. 공동 제1저자이자 존스 홉킨스 의생명 공학 박사 과정 후보인 벤자민 페디고(Benjamin Pedigo)는 팀의 코드가 성인 뇌와 애벌레 뇌의 연결 사이의 중요한 비교를 밝히는 데 도움이 될 수 있을 것으로 기대합니다. 더 많은 유충과 다른 관련 종에서 커넥톰이 생성됨에 따라 Pedigo는 그들의 분석 기술이 뇌 배선의 변화를 더 잘 이해할 수 있을 것으로 기대합니다.

초파리 애벌레 작업은 탁월하고 강력한 기계 학습 아키텍처를 놀랍도록 연상시키는 회로 기능을 보여주었습니다. 팀은 지속적인 연구가 더 많은 계산 원리를 밝히고 잠재적으로 새로운 인공 지능 시스템에 영감을 줄 것으로 기대합니다.

Vogelstein은 “초파리에 대한 암호에 대해 우리가 배운 것은 인간에 대한 암호에 영향을 미칠 것”이라고 말했습니다. “그것이 우리가 이해하고 싶은 것입니다. 인간 두뇌 네트워크로 이어지는 프로그램을 작성하는 방법입니다.”

동영상: https://youtu.be/NXr0ZdoYgRw

저자 포함: Michael Winding, Christopher L. Barnes, Heather G. Patsolic, Youngser Park, Tom Kazimiers, Akira Fushiki, Ingrid V. Andrade, Avinash Khandelwal, Javier Valdes-Aleman, Feng Li, Nadine Randel, Elizabeth Barsotti, Ana Correia, Richard D. Fetter, Volker Hartenstein, Carey E. Priebe, Albert Cardona, Marta Zlatic.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/03/230309164711.htm