Расшифровка полной схемы связей биологического мозга долгое время упиралась в серьезное инфраструктурное ограничение: ручная обработка петабайтов снимков электронной микроскопии для отслеживания клеточных путей заняла бы столетия. В исследовании, опубликованном в журнале Cell («Sexual dimorphism in the complete connectome of the Drosophila male central nervous system»), команда Google Research совместно с кампусом Janelia Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) и академическими партнерами полностью реконструировала клеточную карту мозга и центральной нервной системы взрослого самца дрозофилы.
Автоматизированная реконструкция в промышленных масштабах Полученный коннектом включает более 166 000 нейронов и 125 миллионов синаптических связей, что делает его самой сложной нейронной сетью, картированной на сегодняшний день. Принципиально важно, что датасет охватывает не только головной мозг, но и всю брюшную нервную цепочку — биологический аналог спинного мозга позвоночных.
«С более чем 166 000 нейронов и 125 миллионами синаптических связей это крупнейшая карта мозга по количеству нейронов на текущий момент»
Чтобы сделать эти многомерные массивы данных пригодными для работы, команда выложила весь репозиторий в открытый доступ через Neuroglancer — веб-инструмент визуализации от Google, созданный специально для петабайтных объемных датасетов.
Пайплайны машинного обучения и синтетическое обучение Отслеживание сложных нейронных путей через массивы срезов электронной микроскопии потребовало специализированных архитектур компьютерного зрения. Google задействовала автоматизированные модели сегментации, обученные классифицировать отдельные синапсы, разделять перекрывающиеся аксоны и непрерывно корректировать смещение при совмещении тысяч срезов ткани. Этот пайплайн компьютерного зрения фактически превращает сырую биологическую ткань в вычислимые графовые структуры, доступные для программных запросов.
Перспективы масштабирования на позвоночных Для сферы искусственного интеллекта и разработки лекарств картирование полных нейронных контуров дает конкретную основу для проектирования нейроморфных процессоров. Это шаг к созданию аппаратного обеспечения с экстремально низким энергопотреблением, сравнимым с биологическим. Однако инженерный разрыв все еще колоссален: 166 000 нейронов насекомого — лишь ничтожная доля по сравнению с 86 миллиардами нейронов и сотнями триллионов синапсов человеческого мозга.
Масштабирование до такого уровня потребует экспоненциального роста пропускной способности моделей сегментации и сведения ручной проверки практически к нулю. На данный момент коннектом дрозофилы служит фундаментальным доказательством концепции: машинное обучение способно успешно расшифровывать целостные биологические нейросети.