Розкриття прихованої складності людського мозку
Вчені за допомогою електронної мікроскопії з високою роздільною здатністю створили 3D-карту невеликої ділянки тканини людського мозку. Результатом стала детальна модель з більш ніж 57 000 клітин і майже 150 мільйонів синапсів.
Ключові досягнення
- Вчені створили карту з надвисокою роздільною здатністю, яка відображає всі клітини та зв’язки в одному кубічному міліметрі людського мозку.
- Результати дослідження розкрили небачені раніше подробиці про структуру мозку, створивши цінний ресурс для майбутніх досліджень.
Щоб повністю зрозуміти, як працює людський мозок, необхідно знати взаємозв’язки між різними клітинами, що входять до його складу. Це передбачає візуалізацію структури мозку на нанорівні, щоб побачити зв’язки між нейронами.
Група дослідників на чолі з доктором Джеффом Ліхтманом з Гарвардського університету та доктором Віреном Джейном з Google Research використовувала електронну мікроскопію (ЕМ) для отримання зображення з високою роздільною здатністю кубічного міліметрового зрізу тканини людського мозку. Тканина була взята з кори головного мозку пацієнта під час операції з приводу епілепсії.
Вчені розрізали тканину на більш ніж 5000 зрізів, кожен з яких потім був відсканований за допомогою ЕМ. Це дозволило отримати близько 1,4 петабайт (1400 терабайт!) даних. Використовуючи ці дані, дослідники створили 3D-реконструкцію практично кожної клітини зразка. Результати дослідження, фінансованого NIH, були опубліковані в журналі Science.
Аналіз окремих клітин у зразку виявив загалом понад 57 000 клітин. Більшість з них були або нейронами, які передають електричні сигнали, або гліальними клітинами, які забезпечують різні допоміжні функції нейронів. Гліальних клітин було вдвічі більше, ніж нейронів. Найпоширенішим типом гліальних клітин були олігодендроцити, які забезпечують структурну підтримку та електричну ізоляцію нейронів. Один кубічний міліметр зразка також містив близько 230 мм кровоносних судин.
Нові горизонти
Під час реконструкції були виявлені структурні деталі, які раніше не спостерігалися. Дослідники проаналізували тип нейронів, які називаються трикутними клітинами, які знаходяться в найглибшому шарі кори головного мозку. Багато з них прийняли одну з двох орієнтацій, які були дзеркальним відображенням один одного. Значення такої організації досі неясно.
Щоб ідентифікувати синапси — з’єднання, які передають сигнали від однієї клітини до іншої — команда використовувала машинне навчання. Було відкрито майже 150 мільйонів синапсів. Майже всі нейрони утворювали тільки один синапс з даною клітиною-мішенню. Але невелика фракція утворювала два або більше синапсів з однією і тією ж клітиною-мішенню.
Принаймні в одному випадку більш як 50 синапсів з’єднали одну пару клітин. І хоча це трапляється рідко, з’єднання з сімома або більше синапсами між клітинами були набагато частіше, ніж можна було очікувати. Це говорить про те, що такі міцні зв’язки мають певне функціональне значення.
Результати демонструють, наскільки складним є мозок на клітинному рівні. Вони також демонструють цінність конектоміки — науки про створення повних карт зв’язків між клітинами мозку — для розуміння роботи мозку.
Просто фрагмент
«Слово «фрагмент» тут звучить іронічно, – каже Ліхтман. «Терабайт – це величезна кількість інформації для більшості людей, але фрагмент людського мозку, крихітна його частина, становить тисячі терабайт».
Команда зробила свій набір даних доступним для громадськості. Також були розроблені різні програмні засоби, які допомагають у вивченні карти мозку. Вчені сподіваються, що подальше вивчення цих даних — як їхньою командою, так і іншими дослідниками — дасть нове розуміння того, як працює людський мозок.
Цей неймовірний прорив — здатність отримувати та обробляти понад 1000 терабайт даних мозку — був би неможливим без важливого партнерства між нейробіологами, комп’ютерними науковцями та інженерами. Така співпраця має вирішальне значення для досягнення нашої мети – створення повної карти людського мозку, що дозволить нам наблизити нові методи лікування.
