ИСТИНА

Изучить строение и ультраструктурную организацию антеннальной сенсорной системы (АСС) мельчайших насекомых и определить принципы ее оптимизации.

The development of artificial intelligence based on insect neural circuits has yielded breakthrough results in applications such as machine learning, information processing, swarm intelligence, and others. The insect brain receives and processes the greatest diversity of information through the antennal sensory system (ASS)—for example, information about temperature, humidity, odor, taste, sound, and numerous other stimuli (Altner et al., 1977). The insect ASS is an exceptionally convenient model for studying memory, learning, sensory information processing, and complex behavioral repertoires (Schlegel et al., 2021). Moreover, its functionality is fully preserved in species smaller than some unicellular organisms, such as the parasitoid wasp Megaphragma viggianii, whose ASS represents an ultra‑sensitive micro‑laboratory measuring less than 0.1 mm. The ASS consists of a sensory periphery and sensory processing centers. We have reconstructed the sensory periphery of the M. viggianii ASS in 3D and identified its optimization features (Diakova et al., 2018; Diakova et al., 2022). This existing groundwork, together with unique 3D electron microscopy data of M. viggianii, will allow the first full reconstruction of an insect ASS to be analyzed. A partial ASS connectome will be built, enabling us to formulate the main principles of operation and optimization of miniature neural networks. On this basis, a hierarchical model of a sensory neural circuit will be developed, along with a working algorithm that can later be used to prototype highly efficient artificial intelligence for tasks such as categorization and processing of sensory data, as well as decision‑making based on that data. The results of this research will have not only profound fundamental significance but also practical value for developing new algorithms and architectures, which in the future could improve performance and reduce the time and energy costs of computing systems.

На материале мозга мельчайших насекомых Scydosella musawasensis, Nanosella sp. (Coleoptera: Ptiliidae), Megaphragma viggianii, M. mymaripenne и M. caribea (Hymenoptera: Trichogrammatidae) будет выполнена 3D реконструкция антеннальных долей, а также гломерул антеннальных долей у самца и самки M. viggianii. Аллометрический анализ даст уникальные данные о масштабировании антеннальных долей и ее гломерул у насекомых, что продвинет понимание законов миниатюризации нервной системы. Впервые будет проведена реконструкция проекций нейронов всех антеннальных сенсилл миниатюрного насекомого на материале наездника Megaphragma viggianii (Hymenoptera: Trichogrammatidae). Данный материал внесет значительный фундаментальный вклад в нейроморфологию насекомых. Будет выполнен анализ ультраструктуры нейронов АСС M. viggianii, а также картирование ядросодержащих и безъядерных нейронов АСС и функциональное типирование нейронов, что внесет значительный вклад в понимание устройства сложно организованных миниатюрных безъядерных нервных систем. Впервые будет создан частичный коннектом АСС миниатюрного насекомого. Сравнительный анализ с литературными данными позволит сформулировать принципы миниатюризации нейронных сетей у насекомых, что может стать толчком к оптимизации систем искусственного интеллекта и миниатюрных сенсорных систем в робототехнике. На основе полученного коннектома будет создана иерархическая модель чувствительной нервной цепи и описан ее возможный рабочий алгоритм. Полученная модель может быть в перспективе использована для прототипирования высокоэффективного искусственного интеллекта в применении к таким задачам, как категорирование, хранение и обработка сенсорных данных и принятие решений на их основе.

Нами исследована периферическая часть антеннальной сенсорной системы (АСС) и принципы её масштабирования. Изучены антенны трех видов Megaphragma, включая внутреннюю морфологию сенсилл и их иннервацию (Diakova et al., 2018). Выполнена 3D-реконструкция поверхности антенны M. viggianii, выявлено отсутствие вспомогательных клеток сенсилл у имаго – уникальная адаптация к миниатюризации. Проведено картирование сенсилл 13 видов Ptiliidae с размером тела 0.3–1.1 мм, в т.ч. мельчайшего свободноживущего насекомого S. musawasensis (Diakova & Polilov, 2020). Исследована морфология антенн самца Dicopomorpha echmepterygis (один членик длиной 30 мкм) как пример крайней степени миниатюризации. На основе FIB-SEM данных головы M. viggianii (12 000 снимков, разрешение 8×8×8 нм, объем 1.5 ТБ) выполнена первая в мире клеточная 3D-реконструкция джонстонова и центрального органов насекомых (Diakova et al., 2022). Число сколопидиев джонстонова органа оказалось в 1.3 раза меньше, чем у крупных видов. Проведен аллометрический анализ по данным 483 видов насекомых из >160 источников. Установлено, что число структурных единиц сложных органов чувств сильно зависит от размеров тела, а размеры и разнообразие отдельных единиц – значительно слабее или не зависят. При экстремальной миниатюризации одни органы сохраняют клеточный состав, другие редуцируют целые группы клеток. Разработана комплексная методика (электронная, конфокальная, FIB-SEM микроскопия, микротомография, 3D-моделирование). Получены три полных стека головы M. viggianii для будущей реконструкции коннектома. Методы соответствуют мировому уровню нейробиологических исследований.

За два года в ходе выполнения проекта было проведено комплексное исследование антеннальной сенсорной системы (АСС) миниатюрного наездника Megaphragma viggianii и других насекомых. В первый год выполнена 3D-реконструкция антеннальных долей 27 видов. Аллометрический анализ 240 видов показал, что миниатюризация антеннальных долей происходит за счет уменьшения объема гломерул, а не их числа, что отличает этот процесс от масштабирования других сенсорных систем. Также реконструированы проекции чувствительных нейронов антеннальных органов самца M. viggianii и определены мозговые центры, воспринимающие сенсорную информацию. Во второй год исследован коннектом АСС M. viggianii с реконструкцией нейронных связей до 3-го слоя. Определены функции чувствительных нейронов (хемо-, термо/гигро- и механорецепция). Реконструированы нейроны и связи между ними, проведена аннотация и типификация клеток. Выявлены адаптации к миниатюризации: крайне малое число клеток (до 1000 раз меньше, чем у крупных насекомых), отсутствие ядер у большинства нейронов (кроме двух в 3-м слое), что может ограничивать нейропластичность. Обнаружены особенности обработки сигналов: усиленная фильтрация шума и альтернативное кодирование запахов. Итогом проведенной работы стало первое детальное описание миниатюрной АСС, включая ее коннектом, описание адаптации к миниатюризации и прототипирование искусственной нейронной сети на основе нейронной сети сенсоров положения антенны. Результаты закладывают основу для изучения эволюции сенсорных систем и создания биоморфных нейросетей.