Ученые использовали электронную микроскопию высокого разрешения для создания 3D-карты небольшого участка ткани человеческого мозга. В результате была получена детальная модель более 57 000 клеток и почти 150 миллионов синапсов.
Содержание
Ключевые достижения
- Ученые создали карту сверхвысокого разрешения, отображающую все клетки и связи в одном кубическом миллиметре человеческого мозга.
- Результаты исследования выявили невиданные ранее детали структуры мозга, создав ценный ресурс для будущих исследований.
Чтобы полностью понять, как работает человеческий мозг, необходимо знать взаимосвязи между различными клетками, из которых он состоит. Это подразумевает визуализацию структуры мозга на наноуровне, чтобы увидеть связи между нейронами.
Группа исследователей под руководством д-ра Джеффа Лихтмана из Гарвардского университета и д-ра Вирена Джейна из Google Research использовала электронную микроскопию (ЭМ) для получения изображения участка ткани человеческого мозга размером в кубический миллиметр с высоким разрешением. Ткань была взята из коры головного мозга пациента во время операции по лечению эпилепсии.
Ученые разрезали ткань на более чем 5000 срезов, каждый из которых был затем отсканирован с помощью ЭМ. Это позволило получить около 1,4 петабайта (1400 терабайт!) данных. Используя эти данные, исследователи создали 3D-реконструкцию практически каждой клетки в образце. Результаты исследования, финансируемого NIH, были опубликованы в журнале Science.
Анализ отдельных клеток в образце выявил в общей сложности более 57 000 клеток. Большинство из них были либо нейронами, которые передают электрические сигналы, либо глиальными клетками, которые обеспечивают различные вспомогательные функции нейронов. Глиальных клеток оказалось в два раза больше, чем нейронов. Наиболее распространенным типом глиальных клеток были олигодендроциты, которые обеспечивают структурную поддержку и электрическую изоляцию нейронов. В одном кубическом миллиметре образца также содержалось около 230 мм кровеносных сосудов.
Новые горизонты
Реконструкция выявила структурные детали, не наблюдавшиеся ранее. Исследователи проанализировали тип нейронов, называемых треугольными клетками, которые находятся в самом глубоком слое коры головного мозга. Многие из них принимали одну из двух ориентаций, которые были зеркальным отражением друг друга. Значение такой организации пока остается неясным.
Для идентификации синапсов — соединений, по которым сигналы передаются от одной клетки к другой, — команда использовала машинное обучение. Было обнаружено почти 150 миллионов синапсов. Почти все нейроны образовывали только один синапс с данной целевой клеткой. Но небольшая часть формировала два или более синапсов с одной и той же клеткой-мишенью.
По крайней мере, в одном случае более 50 синапсов соединяли одну пару клеток. И хотя это редкое явление, связи с семью или более синапсами между клетками встречались гораздо чаще, чем можно было бы ожидать. Это говорит о том, что такие сильные связи имеют определенное функциональное значение.
Полученные результаты демонстрируют, насколько сложен мозг на клеточном уровне. Они также демонстрируют ценность коннектомики — науки о создании полных карт связей между клетками мозга — для понимания функций мозга.
Лишь фрагмент
“Слово “фрагмент” здесь звучит иронично, — говорит Лихтман. — Терабайт — это огромное количество информации для большинства людей, но фрагмент человеческого мозга, крошечная его часть, составляет тысячи терабайт”.
Команда предоставила свой набор данных для общего доступа. Также были разработаны различные программные инструменты, которые помогут в изучении карты мозга. Ученые надеются, что дальнейшее изучение этих данных — как их командой, так и другими исследователями — позволит получить новые сведения о работе человеческого мозга.
Этот невероятный прорыв — возможность получать и обрабатывать более 1000 терабайт данных о мозге — был бы невозможен без важного партнерства между нейробиологами, учеными-компьютерщиками и инженерами. Такое сотрудничество имеет решающее значение для достижения выбранной цели — построения полной карты человеческого мозга, что позволит нам приблизить появление новых методов лечения.
Читайте также: Ученые соединили 16 миниатюрных “мини-мозгов” из человеческой ткани, чтобы создать “живой компьютер”
