Ada betul-betul ResNet dalam otak! 'Drosophila Brain Connectome' pertama di dunia dikeluarkan: mengambil masa lebih sepuluh tahun untuk membina semula 3,000 neuron dan lebih daripada 500,000 sinaps!

Walaupun pembelajaran mendalam moden telah lama memisahkan diri daripada meniru "rangkaian saraf biologi", memahami mekanisme operasi otak biologi masih sangat membantu untuk pembangunan model rangkaian saraf pada masa hadapan.

Cara litar otak distruktur mempengaruhi keupayaan pengiraan otak, tetapi setakat ini, tiada struktur khusus otak telah dilihat kecuali dalam beberapa organisma yang sangat mudah.

Pada November tahun lalu, penyelidik dari banyak institusi terkemuka seperti Universiti Cambridge, Universiti Johns Hopkins dan Janelia Research Park telah memuat naik kertas kerja tentang Biorxiv 🎜>Lebih sepuluh tahun penyelidikan yang teliti menghasilkan selesai pembinaan semula yang pertama sambungan otak "larva Drosophila".

Pautan kertas: https://www.science.org/doi/10.1126/science add9330 ​

Pada 10 Mac, keputusan yang berkaitan telah diterbitkan dalam majalah "Sains".

Salah seorang pengarang kertas kerja, profesor bersekutu Joshua Vogelstein dari Universiti Johns Hopkins, berkata bahawa lalat buah lebih dekat dengan otak manusia dalam banyak cara berbanding organisma lain, dan beberapa kawasan sepadan. untuk membuat keputusan Beberapa bidang sepadan dengan pembelajaran dan beberapa untuk navigasi; dan otak larva dan manusia Drosophila juga dibahagikan kepada bahagian kiri dan kanan.

Dalam analisis otak lalat buah, kita juga boleh menemui beberapa keputusan dalam rangkaian saraf moden, seperti rangkaian saraf berulang dan laluan pintasan antara rangkaian berbilang lapisan (rangkaian sisa ResNet) dsb., boleh memberi inspirasi kepada penambahbaikan pada model pembelajaran mesin.

Berita baik: Sambungan otak larva Drosophila yang dibina semula termasuk 3016 neuron

Berita buruk: Manusia mempunyai 86 bilion neuron.

Otak larva Drosophila yang dibina semula sepenuhnya

Otak terutamanya terdiri daripada "sel neuron", dan neuron bersebelahan boleh berinteraksi antara satu sama lain pada sambungan antara sel sinaptik Untuk menghantar keluar isyarat, satu neuron melepaskan "neurotransmitter" dan neuron lain bertanggungjawab untuk menerima bahan kimia ini tingkah laku. Proses utama untuk membina semula connectome ialah memotong otak menjadi kepingan ultra-nipis (20 mikron), dan kemudian menggunakan aliran elektron mikroskop elektron untuk imej kepingan, seperti sebagai

Otak larva lalat buah sebesar sebutir garam

dipotong menjadi beribu-ribu keping dan jika ada yang tidak kena, anda perlu bermula dari awal lagi.

Bagi sesetengah organisma ringkas, agak mudah untuk membina sambungan lengkap, yang pertama dilukis sepenuhnya Ia adalah Caenorhabditis elegans, yang hanya mempunyai 302 neuron di seluruh badannya. Ia dipetakan pada tahun 1980-an.

Tetapi setakat ini, penyelidik telah memetakan sambungan sinaptik lengkap untuk hanya tiga organisma, masing-masing dengan hanya beberapa ratus neuron otak.

Pada tahun 2020, penyelidik dari Google dan Janelia Research Park mengeluarkan model 3D penyambung otak Drosophila, yang mengandungi 25,000 neuron Drosophila Menjangkau pelbagai jenis sel dan berbilang kawasan otak, model itu tidak otak yang lengkap, malah ia mengandungi hanya satu perempat daripada 100,000 neuron dalam lalat buah dewasa.

Terdapat juga beberapa kumpulan penyelidikan yang mengkaji penghubung haiwan dengan otak yang lebih besar, seperti serangga, ikan, mamalia, dll. Namun, disebabkan bilangan neuron yang banyak, kaedah penyelidikan utama adalah dengan membahagikan otak. Mempelajarinya secara berasingan mengakibatkan ketidakupayaan untuk membina semula kawasan otak yang saling berkaitan merentasi ruang.

Sambungan lengkap yang dibina semula kali ini adalah milik larva Drosophila melanogaster boleh memaparkan tingkah laku yang sangat kaya, termasuk pembelajaran, pengiraan nilai dan pemilihan tingkah laku, dan berkait rapat dengan buah dewasa. lalat dan serangga yang lebih besar mempunyai struktur otak yang homolog.

Alat genetik yang berkuasa boleh digunakan untuk memanipulasi atau merekod jenis neuron individu secara selektif dalam sistem model yang boleh dikendalikan, hipotesis tentang peranan fungsian motif neuron dan litar tertentu yang didedahkan oleh connectome boleh diuji dengan mudah.

Pasukan penyelidik memotong otak larva Drosophila melanogaster "6 jam" kepada 4841 keping, mengimbasnya dengan mikroskop elektron resolusi tinggi, mendigitalkan imej dan kemudian memasang semula ia menjadi imej tiga dimensi dengan bantuan analisis komputer, peta akhir mengandungi 3,016 neuron dan 548,000 sinaps.

Rangkaian sisa tersembunyi di dalamnya

Para penyelidik menjalankan analisis terperinci tentang struktur litar otak, termasuk sambungan dan jenis neuron, hab rangkaian ) dan rajah litar saraf .

Kebanyakan (73%) daripada hab input dan output otak (hab in-out) ialah "pusat pasca sinaptik untuk pusat pembelajaran" atau "neuron dopaminergik yang mendorong pembelajaran" "presynaptic pusat"; menggunakan teknologi pembenaman spektrum graf untuk mengelompokkan neuron secara hierarki berdasarkan ketersambungan sinaptik kepada 93 jenis yang konsisten secara dalaman berdasarkan ciri lain seperti morfologi dan fungsi jantina.

Para penyelidik juga membangunkan algoritma untuk menjejaki perambatan isyarat dalam laluan berbilang sinaptik otak dan menganalisis laluan hadapan (daripada deria kepada output) dan laluan maklum balas , penyepaduan berbilang deria dan interaksi merentas hemisfera .

Integrasi multideria yang meluas ditemui di dalam otak, dan pada kedalaman yang berbeza-beza dari neuron deria kepada neuron keluaran Berbilang laluan saling berkait terbentuk rangkaian pemprosesan teragih.

Otak mempunyai struktur berulang yang sangat tinggi, dan 41% daripada neuron menerima input berulang jarak jauh Walau bagaimanapun, pengedaran gelung tidak seragam, dan kadar gelung sangat tinggi bidang yang melibatkan pembelajaran dan pemilihan tindakan yang tinggi.

Neuron dopaminergik, yang mendorong pembelajaran, adalah antara neuron yang paling biasa di dalam otak.

Terdapat banyak neuron kontralateral (neuron kontralateral) yang mengunjur ke kedua-dua hemisfera otak, dan ia berada di- dan hab keluar), sinaps antara satu sama lain, menggalakkan komunikasi yang meluas antara dua hemisfera otak juga menganalisis interaksi antara otak dan saraf;

Penyelidik mendapati bahawa neuron menurun menyasarkan sekumpulan kecil elemen pramotor, yang memainkan peranan penting dalam menukar keadaan lokomotor.

Kesimpulan

Sambungan otak lengkap larva Drosophila akan menyediakan asas untuk kajian teori dan eksperimen lain tentang fungsi otak untuk masa yang lama akan datang, yang dihasilkan dalam kajian ini Kaedah dan alat pengiraan akan memudahkan analisis sambungan masa hadapan.

Walaupun butiran organisasi otak berbeza-beza di seluruh alam haiwan, banyak struktur litar saraf dipelihara.

Apabila penyambung otak bagi lebih banyak organisma lain dipetakan pada masa hadapan, perbandingan antara penyambung yang berbeza akan mendedahkan struktur litar biasa dan berpotensi optimum, serta antara organisma Perbezaan tingkah laku dalam sifat.

Beberapa ciri struktur yang diperhatikan dalam otak larva Drosophila, termasuk pintasan berbilang lapisan dan gelung bersarang yang ketara, dapat Penemuan dalam rangkaian saraf tiruan lanjutan mungkin dapat menampung masalah rangkaian semasa secara mendalam dan generalisasi tugas pemprosesan. Ciri-ciri ini juga boleh meningkatkan kuasa pengkomputeran otak dan mengatasi had fisiologi bilangan neuron.

Analisis masa hadapan tentang persamaan dan perbezaan antara otak dan rangkaian saraf tiruan boleh membantu memahami prinsip pengiraan otak dan boleh memberi inspirasi kepada seni bina pembelajaran mesin baharu.

Komen berkaitan

Gashpal Yekayi, profesor neurosains di University of Exeter, UK, berkata , semua neuron otak dibina semula dan semua sambungan saraf dianalisis. Dia memanggil kerja itu "sangat penting."

Catherine Dulac dari Universiti Harvard di Amerika Syarikat percaya bahawa data ini mendedahkan "logik mendalam" hubungan neuron ini.

Walau bagaimanapun, Scott Emmons dari Kolej Perubatan Albert Einstein di New York percaya bahawa hanya memetakan sinaps tidak memberikan gambaran penuh.

Emmons memetakan connectome Caenorhabditis elegans lelaki dan perempuan pada 2019. Neuron juga boleh berkomunikasi melalui bahan kimia yang dikeluarkan secara perlahan seperti hormon dan sambungan lain antara sel (iaitu persimpangan celah) berkomunikasi antara satu sama lain.

Semua ini mesti diambil kira, tetapi hanya sinaps disertakan dalam connectome yang baru dilukis.

Atas ialah kandungan terperinci Ada betul-betul ResNet dalam otak! 'Drosophila Brain Connectome' pertama di dunia dikeluarkan: mengambil masa lebih sepuluh tahun untuk membina semula 3,000 neuron dan lebih daripada 500,000 sinaps!. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!