Нейросети, генетический потенциал и развитие мозга. Как генетика определяет характер нашего разума

Впервые учёные составили генетическую карту части мозга, которая отвечает за коммуникацию всех его участков.  Речь идет про мозолистое тело, которое помогает мозгу действовать в режиме «реального времени», обрабатывая и сводя сигналы в работу сознания. Исследование выявило десятки генов, определяющих размер и толщину мозолистого тела. Многие из них активны в период пренатального развития, когда формируются нейронные связи в мозге.

Ключевые факты

Первичный генетический фактор: конкретные генетические паттерны, формирующие мозолистое тело – коммуникационный мост мозга, объединяющий правое и левое полушария.

Открытие с помощью искусственного интеллекта: с помощью искусственного интеллекта за рекордно короткое время была составлена ​​карта мозолистого тела на основе 50 000 МРТ-сканов.

Связь с психическим здоровьем: обнаружены конкретные корреляции между генетическими факторами формирующими мозолистое тело, корой головного мозга, СДВГ и биполярным расстройством.

Мозг, мозолистое тело и наши гены

Генетический бэкграунд объясняет, как изменения в мозолистом теле связаны с психическими и неврологическими расстройствами. Разработанный группой ученых искусственный интеллект с открытым исходным кодом позволяет исследователям по всему миру быстрее и с беспрецедентной точностью анализировать структуру мозга.

Впервые исследовательская группа под руководством Института нейровизуализации и информатики имени Марка и Мэри Стивенс (Stevens INI) при Медицинской школе Кека при Университете Южной Калифорнии составила карту генетической архитектуры важнейшей части человеческого мозга, известной как мозолистое тело. Это толстая полоса нервных волокон, которая соединяет левое и правое полушария мозга.

Результаты исследования открывают новые пути для изучения психических заболеваний, неврологических расстройств и других заболеваний, связанных с дефектами в этой части мозга.

Мозолистое тело и его задачи

Мозолистое тело критически важно для синхронизации базовых функций мозга: от координации движений конечностей до усвоения зрительных и звуковых образов, а также мышления высшего порядка и принятия решений.

Изменения в форме и размере мозолистого тела плотно коррелируют с такими расстройствами, как СДВГ, биполярное расстройство и болезнь Паркинсона. И до сих пор генетическая основа этой жизненно важной структуры оставалась практически неизученной.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, описан анализ сканов мозга и генетические данные более 50 000 человек, за которыми наблюдали с детства до поздней зрелости. Данные были обработаны с помощью нового инструмента, созданного группой, который также включает в себя искусственный интеллект.

Комментарий исследователей

Мы разработали инструмент на основе искусственного интеллекта, который распознает мозолистое тело на различных типах МРТ-сканов мозга и автоматически проводит его измерения.

Используя его, мы выявили десятки генетических факторов, которые определяют размер и толщину мозолистого тела и его подобластей.

Эти результаты дают генетическую схему одного из важнейших коммуникационных путей мозга.

Выяснив, как конкретные гены формируют мозолистое тело и его подобласти, мы начинаем понимать, почему различия в этой структуре связаны с различными психическими заболеваниями и неврологическими заболеваниями на молекулярном уровне.

Наша работа демонстрирует возможности использования связки ИИ с крупномасштабными базами данных для выявления генетических факторов, управляющих развитием мозга. Связывая генетику со структурой мозга, мы получаем критически важное представление о биологических путях, которые могут лежать в основе психических и неврологических заболеваний.

Жесткая наследственность или пространство для изменений?

Исследование показало, что разные наборы генов определяют площадь и толщину мозолистого тела – две характеристики, которые меняются на протяжении жизни и гибко отражаются в работе мозга. Некоторые из этих генов активны во время пренатального развития мозга.

В частности, в период роста клеток, программируемой клеточной смерти и формирования нервных волокон между полушариями.

Примечательно, что исследование обнаружило генетическое совпадение между мозолистым телом и корой головного мозга — внешним слоем мозга, отвечающим за память, внимание и речь. И эта связь прослеживается в развитии таких состояний, как СДВГ и биполярное расстройство.

Технология исследования мозга и генетики

Исследователи открыли общий доступ к разработанному инструменту на основе искусственного интеллекта, чтобы ускорить будущие открытия. Программное обеспечение, разработанное в Институте Стивенса, использует передовые технологии машинного обучения для автоматического определения и измерения мозолистого тела по данным МРТ. Этот подход позволяет учёным анализировать структуру мозга в беспрецедентном масштабе и с беспрецедентной точностью, сокращая годы ручной работы до всего нескольких часов.

Стоит заметить, что Институт Стивенса стал мировым лидером в применении искусственного интеллекта в нейробиологии, разрабатывая инструменты, которыми можно свободно поделиться с исследовательским сообществом. Объединяя огромные массивы данных с передовыми вычислительными методами, институт меняет подход учёных к изучению здоровья и заболеваний мозга.

Искусственный интеллект производит революцию в исследованиях мозга, и Институт Стивенса находится в авангарде этой революции. Разрабатывая новаторские инструменты ИИ и делая их широкодоступными, мы даем возможность ученым по всему миру совершать новые открытия в области мозга гораздо быстрее, чем когда-либо прежде.
Авторы исследования

Я неоднократно пишу об этом в статьях и скажу здесь тоже. Судя по публикуемым открытиям, мы находимся в самом начале смены парадигмы науки. Еще недавно суть открытий сводилась непосредственно к «открытию» новой молекулы, нового участка мозга, нового гена. И на это открытие или моделирование, отводились десятилетия работы, причем без учета того, насколько мы можем использовать эту молекулу или ген «здесь и сейчас».

С появлением баз данных и нейросетей, я нахожу все больше открытий, описывающих масштабные связи. Как здесь: четкая корреляция между генетикой, частью мозга и набором поведенческих паттернов. Причем мы уходим все дальше от гипотез: делай «А» и получишь «Б». Вместо этого рождаются концепции: если делать «А», «Б», «В» в такой-то последовательности, это даст возможность прийти к «Д» и «Е».

Наука становится более сложной в контексте количества параметров, которые стоит контролировать ради достижения определенных результатов. Но чем лучше человеку удается связать 100500 факторов своей деятельности, тем разительнее и надежнее он достигает успеха в своем деле.

Традиционно, больше материалов из мира науки и передового края, где технологии сливаются с биологией, вы найдете в сообществе Neural Hack. Здесь еще нет технологической сингулярности. Но её отсюда видно.

Источник: habr.com