В нескольких словах
Ученые смогли детально отобразить структуру небольшого участка мозга мыши, что является важным шагом к пониманию работы человеческого мозга, когнитивных функций и разработке методов лечения заболеваний.
Картирование крошечного участка мозга мыши
Картирование крошечного участка мозга мыши, всего лишь кубического миллиметра коры головного мозга, открывает невиданные ранее возможности для понимания человеческого разума. Международный консорциум смог отобразить с беспрецедентной детализацией все нейронные связи и то, как активируются клетки мозга на этом небольшом участке органа млекопитающего.
Собранная информация, представляющая собой крупнейшее на сегодняшний день картирование мозга, поможет раскрыть сложные нейронные сети, лежащие в основе когнитивных функций и поведения. Исследование выполнено в рамках проекта MICrONS (Искусственный интеллект на основе корковых сетей), который считается самым сложным экспериментом в области неврологии из когда-либо предпринятых. Первые результаты были опубликованы в среду в журнале Nature.
Проанализированный участок мозга не больше песчинки, но содержит около 200 000 клеток, 500 миллионов синапсов — связей между нейронами — и более четырех километров нейронных связей. «Внутри этой крошечной частицы находится целая архитектура, как изысканный лес. Она содержит все виды правил соединения, которые мы знали из разных областей неврологии, и в рамках самой реконструкции мы можем проверить старые теории и надеяться найти что-то новое, чего раньше никто не видел», — заявил в своем заявлении Клэй Рид, нейробиолог из Института Аллена по изучению мозга в Сиэтле (США) и главный исследователь этого проекта.
Каждая идея, каждое воспоминание, каждое действие, которое человек выполняет ежедневно, возникает в результате активности нейронов в мозге. В этом запутанном и загадочном центре управления, который хранит человеческую сущность. Понимание того, как он работает, как работают и взаимодействуют все нейронные сети, как функция каждой из них вписывается в эту мозговую архитектуру, является одной из самых больших задач, стоящих перед научным сообществом.
«Наш интеллект и наш разум — это выражения физической структуры нашего мозга. Понимая эту структуру, мы можем лучше определять и формировать гипотезы о том, как интеллект реализуется в нашем мозге», — размышляет в ответе по электронной почте Нуно да Коста, ученый из Института Аллена и соавтор этого исследования.
Другие модели животных
Успешно картированы нейронные связи и в других, более простых, моделях животных, таких как личинка плодовой мушки (чуть более 3000 нейронов и около 550 000 синапсов) или мозг взрослой особи этого же животного (140 000 нейронов и 50 миллионов синапсов).
Но изучение с такой степенью детализации этой крошечной части мозга мыши (что составляет еще меньшую долю от человеческого мозга) выходит, по словам ученых, за все известные технологические рамки области коннектомики, которая занимается картированием и описанием нейронных связей.
Если что-то и можно сравнить, напоминают в комментарии два исследователя из Гарвардского университета, так это то, что было достигнуто в прошлом году при картировании кубического миллиметра мозга пациента с эпилепсией: там было 57 000 клеток и 150 миллионов синапсов.
«Вместе эти два проекта [картирование участка мозга мыши и пациента с эпилепсией] определяют современную технологическую границу крупномасштабной коннектомики млекопитающих», — объясняют они.
Да Коста рассказывает, что, когда они начали свое исследование, получение изображений кубического миллиметра ткани мозга с таким уровнем детализации «намного превосходило» то, что было достигнуто к тому времени. Эксперимент, по его словам, был «чрезвычайно амбициозным».
«Масштаб и разрешение этого набора данных выходят далеко за рамки нейронов. Он включает в себя все кровеносные сосуды, ненейронные клетки, такие как глиальные, и даже органеллы внутри отдельных клеток», — добавляет он.
И он приводит визуальный пример того, что было достигнуто при профилировании всех этих нейронных сетей в участке мозга мыши: «Представьте себе своего рода Google Maps для мозга: он покажет не только основные автомагистрали, но и каждую улицу, каждый дом, каждую комнату внутри каждого дома и даже каждую дверь и окно. Так же, как люди используют Google Maps, чтобы определить лучший маршрут от точки А до точки Б или даже проверить, существует ли маршрут, этот тип подробной карты мозга позволяет ученым видеть, связаны ли два нейрона и где именно происходят эти связи».
Изученный объем далек от размеров и сложности человеческого мозга, но данные, полученные в результате этого картирования, являются более экстраполируемыми, чем может показаться. Выбор для анализа конкретной области, такой как кора головного мозга, например, не случаен, объясняет да Коста: «Эта область мозга, возможно, является самой важной структурой, которая определяет нас как людей, в значительной степени благодаря ее значительному расширению в нашем мозге. Изучая, как кора головного мозга работает в мозге мыши, мы можем генерировать лучшие идеи и гипотезы о том, как работает наш собственный мозг».
В приложенном комментарии два исследователя из Гарварда добавляют к этому: эта область мозга считается «штаб-квартирой высшей когнитивной деятельности», ключевой территорией для сенсорного восприятия, обработки языка или принятия решений. Это, казалось бы, очень разные функции, но возможные благодаря своего рода шаблону, который встречается, с некоторыми изменениями, во всех корковых областях и у всех млекопитающих: «Это делает изучение коры в некотором роде похожим на понимание принципов работы двигателя внутреннего сгорания путем наблюдения за многими автомобилями: существуют разные модели двигателей, но применяется одна и та же фундаментальная механика. Чтобы понять двигатель, полезно не только иметь описание всех его частей, но и понимать, как они работают вместе», — иллюстрируют ученые из Гарварда.
Методы исследования
Проект стал большой командной работой. Сначала ученые из Медицинской школы Бейлора (Техас) использовали специализированные микроскопы для регистрации активности мозга этого кубического миллиметра зрительной коры мыши, пока животное смотрело различные фильмы и видео с YouTube.
Затем исследователи из Института Аллена взяли ту же часть мозга и разделили ее на более чем 24 000 слоев, каждый из которых более чем в тысячу раз тоньше волоса, и использовали электронные микроскопы для получения изображений высокого разрешения каждого среза.
Наконец, другая группа из Принстонского университета использовала искусственный интеллект для реконструкции каждой клетки и всех связей в виртуальном изображении, чтобы создать эту диаграмму проводки и функциональную карту самого большого мозга на сегодняшний день.
В этом проекте приняли участие более 150 нейробиологов. Работа была титанической. «На разрезание более 20 000 секций, необходимых для набора данных, ушло 12 дней и ночей подряд, при этом наша команда работала посменно, чтобы убедиться, что ни одна последовательная секция не была потеряна», — объясняет да Коста.
Было собрано огромное количество информации — 1,6 петабайт данных, что эквивалентно просмотру видео в формате HD в течение 22 лет. Но работа уже начала приносить свои плоды. Первые исследования выявили новые типы клеток и инновационные организационные и функциональные принципы, объясняет Институт Аллена.
Результаты и перспективы
Например, выделяется обнаружение нового принципа ингибирования внутри мозга. Таким образом, хотя считалось, что ингибирующие клетки (те, которые подавляют активность нейронов) только смягчают действие других клеток, исследователи проекта MICrONS обнаружили, что уровень коммуникации на самом деле гораздо более сложен: ингибирующие клетки действуют не случайным образом, а очень избирательно в отношении возбуждающих клеток, к которым они направлены, и сотрудничают в сети (одни работают вместе, чтобы подавлять многие возбуждающие клетки, другие более точны и нацелены на один тип...).
И эти открытия — только начало. Ожидания от всего знания, которое содержит это крупное исследование, очень высоки. Для продвижения в понимании мышления и сознания, но также для продвижения в изучении и борьбе со многими болезнями, отмечает да Коста: «Заболевания мозга, в конечном итоге, являются результатом изменений в структуре мозга, поэтому понимание этой структуры имеет основополагающее значение в долгосрочной перспективе. В среднесрочной и долгосрочной перспективе подробное картирование ингибирующих клеточных связей в сочетании с генетическими описаниями этих же типов клеток может иметь решающее значение, если будет обнаружено, что какая-либо из этих клеток участвует в конкретном заболевании. Это знание может, например, поддержать разработку лекарств, направленных на конкретные подгруппы нейронной сети, или помочь объяснить, как работают существующие лекарства, выявляя типы клеток, на которые они воздействуют».
Для Рафаэля Юсте, профессора биологических наук и директора Центра нейротехнологий Колумбийского университета (Нью-Йорк) и инициатора инициативы BRAIN, это исследование, в котором он не участвовал, является «грандиозным достижением с огромным богатством результатов, как будто вы кладете один из многих кирпичиков в огромный дом, чтобы понять мозг».
«Следует помнить, что более года назад была опубликована еще одна партия впечатляющих статей, отображающих типы клеток мозга, которые являются нейронами, генерирующими все эти связи. Это еще один из самых впечатляющих результатов, полученных в рамках проекта BRAIN в США [нынешнее исследование также поддерживается инициативой BRAIN]. Теперь большая задача — объединить эти два новых направления науки; другими словами, понять, какие связи возникают из каких типов нейронов», — указывает ученый в заявлениях порталу Science Media Center (SMC) España.
Со своей стороны, Хуан Лерма, профессор исследований в Институте неврологии CSIC-UMH, считает, что эта работа «закладывает многие основы нескольких принципов функциональной организации, которые, хотя и предполагались, не были доказаны и представляли собой пробелы в знании нервной системы».
«Эти открытия — гигантский шаг, которого давно ждали и который является лишь верхушкой айсберга того, что предстоит в понимании работы мозга», — также подчеркивает он SMC.
