Как мозг мухи может помочь понять поведение человека

Исследователи составили карту всех 124 миллионов связей между всеми нервными клетками в мозге самца мухи. Сравнив её с картой мозга самки мухи, учёные выявили различия в нейронных связях, которые, по их мнению, лежат в основе отличий в поведении самцов. Эти отличия относятся агрессивному поведению, ухаживанию и исполнению любовных песен.

Команда исследователей ясно заявляет, что это исследование не объяснит различия между мужчинами и женщинами, поскольку наше поведение гораздо сложнее. Однако эти исследования могут помочь учёным лучше понять человеческое поведение и такие состояния, как аутизм и шизофрения, при которых генетические различия влияют на нейронные связи в мозге.

Профессор Грегори Джефферис из Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям в Кембридже, возглавивший исследование, заявил Би-би-си, что этот прорыв представляет собой "по-настоящему важное новое направление в нейробиологии", сравнив его с изобретением телескопа, расширившим наше понимание Вселенной.

"В наших головах находится эта удивительная система, которая позволяет нам совершать невероятные вещи, такие как исполнение сонаты или решение научной задачи. И это открытие может помочь нам понять, как работают эти удивительные системы", – сказал он.

Карта была составлена путём разрезания мозга мухи на 66 частей, каждая из которых была сфотографирована в ходе нескольких циклов сканирования

Мозг мухи столь же прекрасен, сколь и невероятен. Он размером с булавочную головку – и тем не менее во многих отношениях более эффективен, чем суперкомпьютер, и способен перехитрить самый умный искусственный интеллект.

Команда доктора Джеффериса и партнёры кропотливо проанализировали каждую нервную клетку, каждую нейронную связь и каждое соединение в мозге самца плодовой мухи (дрозофилы). Они собрали все эти данные в трёхмерную карту. Два года назад эта же команда создала карту мозга самки мухи в рамках своей конечной цели – сравнить эти два мозга, тем самым совершив гигантский скачок вперёд в области нейробиологии.

Исследование показало, что около 95% клеток мозга самцов и самок одинаковы. Однако, по словам доктора Изабеллы Беккет, соавтора научной статьи, опубликованной на этой неделе в журнале Cell, оставшихся 5% достаточно для формирования совершенно разного поведения.

На первый взгляд мозг самцов и самок мух снаружи выглядит одинаково, но тщательное изучение нейронных связей показало исследователям, что существуют небольшие различия, приводящие к значительным изменениям в поведении.

Например, во время ухаживания самец следит за самкой, когда она перемещается. Исследователи выявили мозговые цепи, связанные с этой особенностью, и обнаружили ключевые различия в их структуре. У самцов есть дополнительные элементы, которые усиливают работу зрительной системы.

Ещё более значительное различие наблюдается в цепях, связанных с агрессией. Самцы чаще вступают в драки, поэтому у них гораздо больше нейронных связей, связанных с этим поведением, чем у самок.

И, наконец, есть цепь, отвечающая за "любовную песню".

Самцы ухаживают за самками, издавая звуки. У них есть уникальная, присущая только им схема, позволяющая производить эти звуки. По словам соавтора исследования доктора Филиппа Шлегеля из Лаборатории молекулярной биологии, эта схема должна быть идеально сбалансированной, иначе последствия для бедного самца могут оказаться плачевными.

"Ухаживание также включает в себя танец самца перед самкой и пение для неё, – рассказал он. – Звук производится за счёт вибрации крыльев, что позволяет создавать очень специфическую песню. Если самке это нравится, она позволит ему приблизиться, а если нет и она в данный момент не настроена на ухаживание, она прогонит его, что может выразиться в виде удара лапкой по "лицу".

Эти три различия в нейронных схемах самцов и самок мух обусловлены двумя ключевыми генами. Исследователи уже много лет знают об этих генах и о том, как они связаны с каждым из этих видов поведения. Но то, что им никогда не удавалось увидеть – это промежуточный механизм. Теперь же впервые они могут увидеть саму схему нейронных связей, формируемую этими генами.

Основной целью исследования не было выявление различий между самцами и самками мух и уж тем более поиск нейрологических объяснений для определённых предполагаемых поведенческих различий между мужчинами и женщинами.

По словам Беккет, сравнение двух мозгов, имеющих небольшие различия в схеме нейронных связей, связанные с известными значительными различиями в поведении, позволяет учёным ясно увидеть принципы, лежащие в основе изменений в схеме нейронных связей мозга, определяющих любое поведение.

"У вас есть всего одна независимая переменная – пол, и тогда вы можете увидеть, в чём разница. Это мечта любого учёного", – говорит она.

Эти различия позволяют учёным сделать большой шаг вперёд в понимании одного из важнейших вопросов биологии: как гены влияют на поведение.

Учёные уже на протяжении десятилетий знают, что гены влияют на поведение, но на практике не имели представления о том, как именно они оказывают это влияние. Ответ, по словам доктора Джеффериса, кроется в том, как гены формируют нейронные связи в мозге и как эти связи влияют на поведение.

"Сравнение мозга мухи даёт нам хорошее представление об этом, – сказал он Би-би-си. – У людей есть модели поведения, которые, похоже, имеют сильную генетическую основу. Так, например, при шизофрении или же существует множество вариантов генов, связанных с аутизмом и расстройствами аутистического спектра, которые мы на самом деле ещё не до конца понимаем".

Схема нейронных связей в мозге самки плодовой мухи, составленная два года назад / Фото MRC

Он добавляет, что также существует возможность применения этих знаний для совершенствования искусственного интеллекта и повышения эффективности компьютерных систем.

"Чтобы создать искусственный интеллект, столь же эффективный, как наш мозг, вероятно, потребуется больше биологического вдохновения. И важным источником вдохновения, скорее всего, станут реальные биологические схемы связей, – считает Джефферис. – Есть люди, которые встраивают мозг мухи в искусственные сети и пытаются понять, может ли он помочь в обучении искусственных систем и управлении ими".

Другие участники исследования были из HHMI Janelia Research Campus, Drosophila Connectomics Group при Кембриджском университете, Google Research и Champalimaud Foundation.