Мозг как токийское метро: QDyeFinder создает карту нейронных связей

Ученые из Университета Кюсю создали ИИ-инструмент под названием QDyeFinder , который открывает новые горизонты в изучении нейронных сетей. Технология способна автоматически распознавать и воссоздавать структуру отдельных нервных клеток на основе изображений мозга мыши.

Мозг, самый сложный орган в природе, состоит из десятков миллиардов тесно расположенных нервных клеток с триллионами взаимосвязей. Понимание его работы требует тщательного картирования, что до недавнего времени считалось невероятно трудоемким процессом. Профессор Такеши Имаи, руководитель исследования, поясняет: «Одна из ключевых задач в нейронауке — это создание карты мозга и его связей. Однако из-за плотного расположения нервных клеток крайне сложно различать сами нейроны, их аксоны и дендриты».

QDyeFinder маркирует нервные клетки с помощью семи различных флуоресцентных белков. Для каждого отдельного нейрона создаются уникальные цветовые сочетания. Данный метод является усовершенствованной версией системы Tetbow, разработанной той же исследовательской группой в 2018 году и использовавшей только три цвета.

Программа автоматически выявляет фрагменты аксонов и дендритов в исследуемом образце, а затем сканирует цветовую информацию каждого фрагмента. Дальше с помощью специального алгоритма машинного обучения под названием dCrawler идентифицируются отростки, принадлежащие одной нервной клетке.

Так QDyeFinder воссоздает трехмерную структуру отдельных нейронов и их связей, словно собирая сложный пазл из миллионов цветных фрагментов.

Маркус Н. Лейве , один из ведущих авторов работы, проводит интересную аналогию: «Представьте себе карту токийского метро. Система включает 13 линий, 286 станций и охватывает более 300 км. На карте каждая линия обозначена своим цветом, что позволяет легко определить связи между станциями. QDyeFinder работает по схожему принципу, но на микроскопическом уровне».

Уникальность системы в том, что она способна различать цветовые комбинации, недоступные человеческому глазу. Наше зрение ограничено тремя основными цветами (синий, зеленый, красный), а вот машины не обременены биологическими ограничениями.

Метод также позволяет преодолеть ограничения, связанные с микроскопическими размерами аксонов и дендритов. Их толщина примерно в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса, а пространство между ними еще более миниатюрно.

Точность QDyeFinder впечатляет. При сравнении с результатами ручного картирования система показала сопоставимую точность. Более того, QDyeFinder превзошел существующее программное обеспечение для трассировки, использующее машинное обучение, особенно в выявлении аксонов.

Разработчики QDyeFinder уверены, что их инструмент существенно ускорит процесс картирования мозга. Профессор Имаи делится своими мыслями: «В будущем мы, возможно, научимся расшифровывать связи в мозге и понимать их функции для каждого конкретного организма. Хотя я сомневаюсь, что доживу до этого момента, наша работа — важный шаг к пониманию, пожалуй, самого сложного и загадочного аспекта нашего существования».

Исследователи также рассматривают возможность применения этой технологии за пределами нейронауки. QDyeFinder может быть адаптирован для маркировки и отслеживания других сложных типов клеток, включая раковые и иммунные. Это открывает новые перспективы не только в изучении мозга, но и в других областях медицины и биологии.