ЧТО НА САМОМ ДЕЛЕ РЕШАЕТ ПРОВОДКА МУХИ

Учёные теперь располагают полными схемами проводки, синапс за синапсом, брюшной нервной цепочки взрослой плодовой мушки: одной от самца (MANC), одной от самки и ещё одной — всей центральной нервной системы самца (MaleCNS). Симуляции, построенные на этих коннектомах, уже воспроизводят сенсорные реакции и ритмическую активность ног, похожую на ходьбу.

Но модель, которая ходит, ещё не доказывает, что важна её точная проводка. Сети взаимосвязанных элементов легко входят в колебания, а грубая статистика — сколько связей у каждого нейрона — уже во многом определяет их поведение. Изабель Гуань из Гонконгского университета науки и технологии и коллеги из Гонконгского политехнического университета, Наньянского технологического университета и компании ZENBOT решили проверить, какие особенности движения ног действительно зависят от конкретной проводки.

Настоящая проводка против перемешанных копий

Исследователи построили модели двигательной системы ног по двум независимым коннектомам: MaleCNS — 10 173 нейрона и 462 650 связей, и MANC — 10 440 нейронов и 634 207 связей. Силами связей служили просто числа синапсов, без какого-либо обучения. Вход поступал только через два нисходящих нейрона DNg100, активация которых запускает ходьбу вперёд; выход считывался с мотонейронов, сгруппированных в пулы разгибателей и сгибателей в четырёх суставах каждой ноги, — 20 антагонистических пар.

Каждую настоящую сеть сравнивали с 30 перемешанными в шести семействах, каждое из которых сохраняло всё больше истинной структуры: число связей, связи между типами клеток, число входов и выходов каждого нейрона, а также блоки по ногам или по линиям развития. Критерии принятия решений были зафиксированы до того, как увидели результаты, — практика, которую авторы называют редкой в моделировании коннектомов; а повторный запуск симуляций воспроизвёл все 4692 записи на коннектом с точностью до ошибок округления.

Ритм дёшев, координация — нет

• Ритм — общее свойство. Многие перемешанные сети колебались не хуже настоящих, а некоторые и лучше: до 0,96 против 0,70 при переборе параметров.
• Чередование специфично. Настоящая проводка заставляла противоположные пулы чередоваться сильнее, чем любая перемешанная сеть: показатель 0,312 против максимум 0,147 в MaleCNS и 0,173 против максимум 0,084 в MANC.
• Эффект сосредоточен в суставе грудь–тазик (thorax–coxa), первом из четырёх изученных суставов ноги. В MaleCNS скоординированное состояние сохранялось все пять минут самых длинных симуляций.

Принцип более чем вековой давности

Почему? Более века назад Ч. С. Шеррингтон предложил принцип реципрокной иннервации: пути, возбуждающие одну мышцу, тормозят её антагониста. Команда измерила, как каждый нейрон влияет на оба пула каждой пары. В обоих настоящих коннектомах индекс реципрокной иннервации был сильно положительным — 0,48 и 0,38 — и отрицательным в каждой перемешанной сети. Из того влияния, которое нейроны оказывают на оба пула, 88% (MaleCNS) и 83% (MANC) толкают их в противоположные стороны, против 16–49% после перемешивания. Это работает двумя способами: возбуждающие нейроны возбуждают один пул и через тормозный интернейрон заглушают другой; а тормозные нейроны заглушают один пул и растормаживают другой.

Решающий тест перенёс премоторные входы с одного пула на его антагониста, изменив суммарный вход каждого мотонейрона всего на 2–4%. Координация рухнула: в MaleCNS показатель упал примерно до −0,08, то есть противоположные пулы стали срабатывать вместе, тогда как контрольные перестановки внутри одного пула сохраняли почти 90% показателя.

Ограничения

Это результаты на модели, а не на животном: без тела, без сенсорной обратной связи, с одной моделью нейрона, предсказанными знаками медиаторов и глутаматом, который считается тормозным, — когда в более ранних расчётах его считали возбуждающим, преимущество настоящей проводки исчезало. Примерно четверть привязок мотонейронов к суставам приблизительна, а MANC воспроизвёл результаты с меньшим запасом. Авторы также отмечают, что использовали ИИ-ассистентов, в том числе Claude от Anthropic, для написания кода и черновиков текста.

Их урок для всех, кто моделирует нервную систему: проверяйте проводку на координации, а не на ритме, потому что перемешанная сеть может держать темп ничуть не хуже.