Il y a vraiment ResNet dans le cerveau ! Le premier « Drosophila Brain Connectome » au monde est sorti : il a fallu plus de dix ans pour reconstruire 3 000 neurones et plus de 500 000 synapses !

Bien que l'apprentissage profond moderne ait depuis longtemps cessé d'imiter les « réseaux de neurones biologiques », la compréhension du mécanisme de fonctionnement des cerveaux biologiques reste très utile pour le développement futur des modèles de réseaux de neurones.

La façon dont les circuits cérébraux sont structurés affecte les capacités de calcul du cerveau, mais jusqu'à présent, aucune structure spécifique du cerveau n'a été observée, sauf dans certains organismes très simples.

En novembre de l'année dernière, des chercheurs de nombreuses institutions de premier plan telles que l'Université de Cambridge, l'Université Johns Hopkins et le Janelia Research Park ont ​​mis en ligne un article sur Biorxiv Après plus de dix ans de recherche ardue, pour la première fois. , le connectome cérébral des "larves de drosophile" a été entièrement reconstruit. " Science" supérieure.

L'un des auteurs de l'article, le professeur agrégé Joshua Vogelstein de l'Université Johns Hopkins, a déclaré que les mouches des fruits sont plus proches du cerveau humain à bien des égards que d'autres organismes. Certaines zones correspondent à la prise de décision, d'autres correspondent à. l'apprentissage, et certaines zones Correspond à la navigation ; et le cerveau des larves de drosophile et des humains est également divisé en côtés gauche et droit.

Dans l'analyse du cerveau de la mouche des fruits, on peut également trouver certains résultats dans les réseaux de neurones modernes, tels que les réseaux de neurones récurrents, les raccourcis entre les réseaux multicouches (réseau résiduel ResNet), etc., qui peuvent inspirer le compréhension de l’apprentissage automatique. Améliorations du modèle.

Bonne nouvelle : Le connectome cérébral reconstruit des larves de drosophile comprend 3016 neurones

Mauvaise nouvelle :

Les humains possèdent 86 milliards de neurones.

Reconstruction complète du cerveau larvaire de la drosophile

Le cerveau est principalement composé de "cellules neuronales". Les neurones adjacents peuvent s'envoyer des signaux au niveau de la connexion entre les cellules synaptiques, et l'un des neurones libère des "neurotransmetteurs" Un autre neurone. est responsable de la réception de ce produit chimique. La carte complète des neurones et des synapses du cerveau est appelée le connectome. L’étude du connectome est cruciale pour comprendre comment le cerveau génère le comportement.

Le principal processus de reconstruction du connectome consiste à couper le cerveau en tranches ultra-fines (20 microns), puis à utiliser le flux électronique d'un microscope électronique pour imager les tranches. Par exemple, couper les tranches de la taille d'un sel. Cerveau de larves de drosophile C'est des milliers de morceaux

Si quelque chose ne va pas, il faut tout recommencer.

Pour certains organismes simples, il est relativement facile de construire un connectome complet. Le premier connectome complet a été dessiné chez Caenorhabditis elegans, qui ne comptait que 302 neurones dans tout le corps dans les années 1980. terminé le moment venu. Mais jusqu'à présent, les chercheurs ont cartographié des connectomes synaptiques complets pour seulement trois organismes, chacun avec seulement quelques centaines de neurones cérébraux.

En 2020, des chercheurs de Google et du Janelia Research Park ont ​​publié un modèle 3D du connectome cérébral de la drosophile, contenant 25 000 neurones de drosophile couvrant différents types de cellules et plusieurs régions cérébrales, mais le modèle n'est pas un cerveau complet, et même dans ce cas le modèle ne contient qu'un quart des 100 000 neurones d'une mouche des fruits adulte.

Certains groupes de recherche étudient également le connectome des animaux dotés d'un cerveau plus gros, comme les insectes, les poissons, les mammifères, etc. Cependant, en raison du grand nombre de neurones, la principale méthode de recherche consiste à diviser le cerveau et à étudier séparément. Cela entraîne une incapacité à reconstruire les régions du cerveau qui sont interconnectées dans l’espace.

Le connectome complet reconstruit cette fois appartient aux larves de Drosophila melanogaster peut montrer des comportements très riches, notamment l'apprentissage, le calcul de valeurs et la sélection comportementale, et présente les mêmes caractéristiques que les mouches des fruits adultes et les insectes plus gros. structure du cerveau.

De puissants outils génétiques peuvent être utilisés pour manipuler ou enregistrer sélectivement des types de neurones individuels, dans des systèmes modèles traitables, en ce qui concerne la fonction de motifs neuronaux et de circuits spécifiques révélés par le connectome. Les hypothèses d'action peuvent être facilement testé.

L'équipe de recherche a coupé le cerveau d'une larve de Drosophila melanogaster « âgée de 6 heures » en 4841 morceaux, l'a numérisé avec un microscope électronique à haute résolution, a numérisé l'image puis l'a réassemblée en une image tridimensionnelle ; après analyse informatique Avec l'aide de , la carte finale générée contient 3016 neurones et 548 000 synapses.

Le réseau résiduel est caché à l'intérieur

Les chercheurs ont mené une analyse détaillée de la structure des circuits cérébraux, y compris les connexions et les types de neurones, les nœuds de réseau et les schémas de circuits neuronaux.

La plupart (73 %) des centres d'entrée et de sortie du cerveau (centres d'entrée et de sortie) sont des « centres post-synaptiques pour les centres d'apprentissage » ou des « centres pré-synaptiques pour les neurones dopaminergiques qui pilotent l'apprentissage » ; La technologie regroupe hiérarchiquement les neurones en fonction de la connectivité synaptique en 93 types qui sont cohérents en interne en fonction d'autres caractéristiques telles que la morphologie et la fonction.

Les chercheurs ont également développé un algorithme pour suivre la propagation du signal dans les voies multi-synaptiques du cerveau et analysé les voies de réaction (de la sensation à la sortie) et de rétroaction, l'intégration multisensorielle (intégration multisensorielle) et les interactions trans-hémisphères.

Une intégration multisensorielle étendue se trouve dans le cerveau, ainsi que de multiples voies interconnectées à différentes profondeurs, des neurones sensoriels aux neurones de sortie, formant un réseau de traitement distribué.

Le cerveau a une structure hautement récurrente et 41 % des neurones reçoivent des entrées récurrentes à longue portée. Cependant, la répartition des boucles n'est pas uniforme et le taux de boucles est particulièrement élevé dans les domaines impliquant l'apprentissage et la sélection d'actions.

Les neurones dopaminergiques, qui conduisent l'apprentissage, sont parmi les neurones les plus courants dans le cerveau.

Il existe de nombreux neurones controlatéraux qui se projettent vers les deux hémisphères du cerveau. Ils sont des centres d'entrée et de sortie et se synapsent les uns avec les autres, favorisant la connexion entre les deux hémisphères du cerveau. l'article analyse également l'interaction entre le cerveau et les nerfs.

Les chercheurs ont découvert que les neurones descendants ciblent un petit groupe d'éléments prémoteurs, qui jouent un rôle important dans le changement d'état locomoteur.

Conclusion

Le connectome cérébral complet des larves de drosophile fournira la base d'autres études théoriques et expérimentales sur la fonction cérébrale pendant encore longtemps, et les méthodes et outils informatiques générés dans cette étude faciliteront l'analyse future de la connectome.

Bien que les détails de l'organisation du cerveau varient selon le règne animal, de nombreuses structures de circuits neuronaux sont conservées.

À mesure que les connectomes cérébraux d'autres organismes seront cartographiés à l'avenir, les comparaisons entre différents connectomes révéleront des structures de circuits communes et potentiellement optimales, ainsi que les particularités des différences comportementales entre les organismes.

Certaines des caractéristiques structurelles observées dans le cerveau des larves de drosophile, notamment les raccourcis multicouches et les boucles imbriquées proéminentes, peuvent être trouvées dans les réseaux neuronaux artificiels de pointe, complétant peut-être les réseaux actuels. En termes de profondeur et de généralisation des tâches de traitement, ces caractéristiques peuvent également augmenter la puissance de calcul du cerveau et surmonter les limitations physiologiques du nombre de neurones.

Une analyse future des similitudes et des différences entre le cerveau et les réseaux de neurones artificiels pourrait aider à comprendre les principes informatiques du cerveau et pourrait inspirer de nouvelles architectures d'apprentissage automatique.

Commentaires connexes

Gashpal Yekai, professeur de neurosciences à l'Université d'Exeter, au Royaume-Uni, a déclaré que tous les neurones du cerveau ont été reconstruits et que toutes les connexions neuronales ont été analysées. Il a qualifié ce travail de « très important ».

Catherine Dulac, de l'université Harvard aux États-Unis, estime que ces données révèlent la « logique profonde » de ces connexions neuronales.

Cependant, Scott Emmons, de l'Albert Einstein College of Medicine de New York, estime que la simple cartographie des synapses ne fournit pas une image complète.

Emmons a cartographié le connectome du mâle et de la femelle C. elegans en 2019. Les neurones peuvent également communiquer entre eux via des produits chimiques libérés lentement tels que des hormones et d'autres connexions entre les cellules, appelées jonctions lacunaires.

Tout cela doit être pris en compte, mais seules les synapses sont incluses dans le connectome nouvellement dessiné.

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