Es gibt wirklich ResNet im Gehirn! Das weltweit erste „Drosophila Brain Connectome“ wird veröffentlicht: Es dauerte mehr als zehn Jahre, 3.000 Neuronen und mehr als 500.000 Synapsen zu rekonstruieren!

Obwohl sich das moderne Deep Learning längst von der Nachahmung „biologischer neuronaler Netze“ gelöst hat, ist das Verständnis der Funktionsweise biologischer Gehirne immer noch sehr hilfreich für die zukünftige Entwicklung neuronaler Netzmodelle.

Die Art und Weise, wie Gehirnschaltkreise strukturiert sind, beeinflusst die Rechenfähigkeiten des Gehirns, aber bisher wurde keine spezifische Struktur des Gehirns beobachtet, außer bei einigen sehr einfachen Organismen.

Im November letzten Jahres haben Forscher von vielen Top-Institutionen wie der University of Cambridge, der Johns Hopkins University und dem Janelia Research Park zum ersten Mal einen Artikel auf Biorxiv hochgeladen , das Hirnkonnektom von „Drosophila-Larven“ wurde vollständig rekonstruiert.

Papierlink: ​https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330​

Am 10. März wurden die relevanten Ergebnisse in der Zeitschrift „ Wissenschaft“ überlegen.

Einer der Autoren der Arbeit, außerordentlicher Professor Joshua Vogelstein von der Johns Hopkins University, sagte, dass Fruchtfliegen in vielerlei Hinsicht näher am menschlichen Gehirn sind als andere Organismen Lernen und einige Bereiche entsprechen der Navigation; und das Gehirn von Drosophila-Larven und Menschen ist ebenfalls in eine linke und eine rechte Seite unterteilt.

Bei der Analyse des Fruchtfliegengehirns können wir auch einige Ergebnisse in modernen neuronalen Netzen finden, wie z. B. wiederkehrende neuronale Netze, Verknüpfungspfade zwischen mehrschichtigen Netzen (Restnetz ResNet) usw., die das inspirieren könnten Verständnis für maschinelles Lernen.

Gute Nachrichten:

Das rekonstruierte Gehirnkonnektom von Drosophila-Larven umfasst 3016 Neuronen

Schlechte Nachrichten:

Der Mensch hat 86 Milliarden Neuronen.

Vollständige Rekonstruktion des Gehirns der Drosophila-Larve

Das Gehirn besteht hauptsächlich aus „Neuronenzellen“. Benachbarte Neuronen können an der Verbindung zwischen synaptischen Zellen Signale aneinander senden, und eines der Neuronen setzt „Neurotransmitter“ frei. Ein anderes Neuron ist für die Aufnahme dieser Chemikalie verantwortlich. Die vollständige Karte der Neuronen und Synapsen im Gehirn wird als Konnektom bezeichnet. Die Untersuchung des Konnektoms ist entscheidend für das Verständnis, wie das Gehirn Verhalten erzeugt.

Der Hauptprozess zur Rekonstruktion des Konnektoms besteht darin, das Gehirn in ultradünne (20 Mikrometer) Scheiben zu schneiden und dann den Elektronenfluss eines Elektronenmikroskops zu verwenden, um die Scheiben beispielsweise in Salzgröße zu schneiden Das Gehirn der Drosophila-Larve besteht aus Tausenden Teilen. Wenn etwas schief geht, muss man von vorne beginnen.

Bei einigen einfachen Organismen ist es relativ einfach, ein vollständiges Konnektom zu erstellen. Das erste vollständige Konnektom wurde in den 1980er Jahren bei Caenorhabditis elegans gezeichnet abgeschlossen, wenn es soweit ist.

Aber bisher haben Forscher vollständige synaptische Konnektome nur für drei Organismen kartiert, von denen jeder nur ein paar hundert Gehirnneuronen hat.

Im Jahr 2020 veröffentlichten Forscher von Google und Janelia Research Park ein 3D-Modell des Drosophila-Gehirnkonnektoms, das 25.000 Drosophila-Neuronen enthält, die verschiedene Zelltypen und mehrere Gehirnregionen umfassen, aber das Modell ist kein vollständiges Gehirn, und selbst dann Es enthält nur ein Viertel der 100.000 Neuronen einer erwachsenen Fruchtfliege.

Es gibt auch einige Forschungsgruppen, die das Konnektom von Tieren mit größeren Gehirnen wie Insekten, Fischen, Säugetieren usw. untersuchen. Aufgrund der großen Anzahl von Neuronen besteht die Hauptforschungsmethode jedoch darin, das Gehirn zu unterteilen und zu untersuchen Dies führt dazu, dass Gehirnregionen, die räumlich miteinander verbunden sind, nicht mehr rekonstruiert werden können.

Das vollständig rekonstruierte Konnektom gehört zu den Larven von Drosophila melanogaster, einschließlich Lernen, Wertberechnung und Verhaltensselektion, und weist die gleichen Eigenschaften auf wie erwachsene Fruchtfliegen und größere Insekten Gehirnstruktur.

Leistungsstarke genetische Werkzeuge können verwendet werden, um einzelne Neuronentypen in nachvollziehbaren Modellsystemen im Hinblick auf die Funktion spezifischer neuronaler und Schaltkreismotive, die durch das Konnektom aufgedeckt werden, selektiv zu manipulieren oder aufzuzeichnen. Wirkhypothesen können leicht aufgestellt werden getestet.

Das Forscherteam schnitt das Gehirn einer „6 Stunden alten“ Drosophila melanogaster-Larve in 4841 Teile, scannte es mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop, digitalisierte das Bild und setzte es dann wieder zu einem dreidimensionalen Bild zusammen; Nach einer Computeranalyse mit Hilfe von enthält die endgültig generierte Karte 3016 Neuronen und 548.000 Synapsen.

Das verbleibende Netzwerk ist im Inneren verborgen

Die Forscher führten eine detaillierte Analyse der Schaltkreisstruktur des Gehirns durch, einschließlich Verbindungen und Neuronentypen, Netzwerkknotenpunkten und neuronalen Schaltplänen.

Die meisten (73 %) der Input- und Output-Hubs (In-Out-Hubs) des Gehirns sind „postsynaptische Zentren für Lernzentren“ oder „präsynaptische Zentren für dopaminerge Neuronen, die das Lernen vorantreiben“; Die Technologie gruppiert Neuronen basierend auf der synaptischen Konnektivität hierarchisch in 93 Typen, die aufgrund anderer Merkmale wie Morphologie und Funktion intern konsistent sind.

Die Forscher entwickelten außerdem einen Algorithmus zur Verfolgung der Signalausbreitung in den multisynaptischen Pfaden des Gehirns und analysierten Feedforward- (von der Empfindung zur Ausgabe) und Feedback-Pfade, multisensorische Integration (multisensorische Integration) und interhemisphärenübergreifende Interaktionen.

Im Gehirn findet sich eine umfassende multisensorische Integration sowie mehrere miteinander verbundene Bahnen in unterschiedlichen Tiefen, von sensorischen Neuronen bis hin zu Ausgabeneuronen, die ein verteiltes Verarbeitungsnetzwerk bilden.

Das Gehirn hat eine stark rekurrierende Struktur und 41 % der Neuronen empfangen rekurrierende Eingaben über große Entfernungen. Die Verteilung der Schleifen ist jedoch nicht gleichmäßig und die Schleifenrate ist in Bereichen, in denen es um Lernen und Handlungsauswahl geht, besonders hoch.

Dopaminerge Neuronen, die das Lernen vorantreiben, gehören zu den häufigsten Neuronen im Gehirn.

Es gibt viele kontralaterale Neuronen, die auf die beiden Hemisphären des Gehirns projizieren. Sie sind Drehkreuze und Synapsen untereinander und fördern die Verbindung zwischen den beiden Hemisphären des Gehirns. Der Artikel analysiert auch die Interaktion zwischen Gehirn und Nerven.

Forscher fanden heraus, dass absteigende Neuronen auf eine kleine Gruppe prämotorischer Elemente abzielen, die eine wichtige Rolle beim Umschalten des Bewegungszustands spielen.

Schlussfolgerung

Das vollständige Gehirnkonnektom von Drosophila-Larven wird noch lange Zeit die Grundlage für andere theoretische und experimentelle Studien zur Gehirnfunktion bilden, und die in dieser Studie generierten Methoden und Rechenwerkzeuge werden die zukünftige Analyse davon erleichtern connectome .

Obwohl die Details der Gehirnorganisation im Tierreich variieren, sind viele neuronale Schaltkreisstrukturen erhalten.

Da in Zukunft die Gehirnkonnektome weiterer Organismen kartiert werden, werden Vergleiche zwischen verschiedenen Konnektomen gemeinsame und potenziell optimale Schaltkreisstrukturen sowie die Eigenheiten von Verhaltensunterschieden zwischen Organismen offenbaren.

Einige der Strukturmerkmale, die im Gehirn von Drosophila-Larven beobachtet wurden, darunter mehrschichtige Verknüpfungen und markante verschachtelte Schleifen, können in hochmodernen künstlichen neuronalen Netzen gefunden werden und ergänzen möglicherweise aktuelle Netze Neben der Tiefe und der Generalisierung von Verarbeitungsaufgaben können diese Funktionen auch die Rechenleistung des Gehirns erhöhen und die physiologischen Einschränkungen der Anzahl der Neuronen überwinden.

Zukünftige Analysen der Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen dem Gehirn und künstlichen neuronalen Netzen könnten zum Verständnis der Rechenprinzipien des Gehirns beitragen und neue Architekturen für maschinelles Lernen inspirieren.

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Gashpal Yekai, Professor für Neurowissenschaften an der University of Exeter, Großbritannien, sagte, dass alle Neuronen im Gehirn rekonstruiert und alle neuronalen Verbindungen analysiert wurden. Er nannte die Arbeit „sehr wichtig“.

Catherine Dulac von der Harvard University in den Vereinigten Staaten glaubt, dass diese Daten die „tiefe Logik“ dieser neuronalen Verbindungen offenbaren.

Scott Emmons vom Albert Einstein College of Medicine in New York glaubt jedoch, dass die bloße Kartierung von Synapsen kein vollständiges Bild liefert.

Emmons hat 2019 das Konnektom des männlichen und weiblichen C. elegans kartiert. Neuronen können auch über langsam freigesetzte Chemikalien wie Hormone und andere Verbindungen zwischen Zellen, sogenannte Gap Junctions, miteinander kommunizieren.

All dies muss berücksichtigt werden, aber im neu gezeichneten Konnektom sind nur Synapsen enthalten.

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonEs gibt wirklich ResNet im Gehirn! Das weltweit erste „Drosophila Brain Connectome“ wird veröffentlicht: Es dauerte mehr als zehn Jahre, 3.000 Neuronen und mehr als 500.000 Synapsen zu rekonstruieren!. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!