Атлас мозга человека – как это работает? Cоздана самая детальная трехмерная карта человеческого мозга

Wikimedia Commons

Американские ученые составили полный атлас человеческого мозга, имеющий самое высокое разрешение на сегодняшний день. Его интерактивная электронная версия доступна на соответствующем ресурсе, а печатная заняла весь текущий выпуск .

Детальное описание анатомической и микроскопической структуры мозга необходимо для понимания его развития, функций и заболеваний. Однако имеющиеся атласы человеческого мозга гораздо менее подробны (в плане как полноты, так и разрешения), чем атласы мозга червей, мух или птиц. Причина этого заключается в технических ограничениях, вызванных размером и сложностью устройства мозга человека.

Для создания своего атласа сотрудники Алленовского института исследований мозга применили ряд лучевых и гистологических методик визуализации. На первом этапе работы они провели магнитно-резонансную и диффузионно-тензорную томографии цельного мозга, извлеченного при вскрытии 34-летней женщины. После этого из мозга приготовили микросрезы целых полушарий и провели их микроскопию по веществу Ниссля и с иммуногистохимическим окрашиванием, для чего ученым пришлось разработать специальный сканер. В итоге получилось 1356 крупноформатных изображений с разрешением в микрометр на пиксель, что соответствует размерам одной клетки. Использование одного и того же мозга позволило интегрировать полученные при томографии и микроскопии данные в целостный источник информации.

Интерфейс атласа

Allen Brain Atlas

Allen Human Brain Reference Atlas содержит информацию о 862 отделах мозга, в том числе 117 пучках белого вещества и нескольких структурах, не выделенных ранее. Описание новой коры (неокортекса) проведено по отдельным извилинам, бороздам и модифицированным цитоархитектоническим полям Бродмана . Оно позволяет связать анатомические и клеточные особенности этих структур.

Интерактивный цифровой атлас также интегрирован с созданным в Алленовском институте ранее атласом экспрессии генов в мозге.

«Атлас представляет собой отход от классических изданий в плане формата публикации. На сегодняшний день он один совмещает строгость рецензируемой научной публикации с представлением в форме книги и общедоступного интерактивного онлайн-ресурса», - заявил участник проекта и главный редактор Journal of Comparative Neurology Патрик Хоф (Patrick Hof).

Allen Human Brain Reference Atlas предназначен для неврологов, нейробиологов, ученых других специальностей и просто любителей науки. Авторы планируют дополнить его картами мозга, полученными в ходе функциональных и цитологических исследований. Такими дополнениями могут послужить, например, детальная карта функциональных участков коры мозга, с применением машинного обучения, и карта семантического словаря мозга, с помощью функциональной МРТ.

Недавно японским ученым впервые создать полную модель нейрональных связей (коннектома) одного полушария мозга плодовой мухи дрозофилы.

Головной мозг — невероятно сложная и многоуровневая структура. Недавно учёные создали трёхмерную карту важнейшего органа человеческого тела, которую назвали BigBrain .

Атлас содержит мельчайшие детали мозга, которые запечатлены в самом высоком разрешении. Исследователи утверждают, что их работа поможет подробно разобраться в том, как функционируют и взаимодействуют различные отделы нашего мозга. Более того, карте найдётся и практическое применение в нейрохирургии: медикам необходимо знать все подробности, прежде чем вживлять в мозг электроды и другие устройства.

Составление карты человеческого мозга — давняя цель нейробиологии. Ранее учёные уже предпринимали шаги в этом направлении, создавая , а также электронный , но такой высокой чёткостью, как последняя карта, предыдущие исследования не отличались.

Трудность в моделировании мозга состоит прежде всего в том, что он является одновременно хрупкой и очень сложной структурой. Другим препятствием также являлись гофры и складки, покрывающие поверхность мозга. Нарезка его на слои подразумевает создание двухмерных объектов, и потому не всегда понятно, как функционируют клетки в складках трёхмерно объекта.

Проект по созданию атласа BigBrain Катрин Амунтс (Katrin Amunts) из Исследовательского центра Юлиха (Jülich Research Centre) и её коллеги из Германии и Канады запустили ещё в 2003 году.

Для этого они выбрали мозг 65-летней женщины, не проявлявшей при жизни никаких признаков психических заболеваний. Были исключены и другие факторы, которые могли повлиять на анатомию мозга. На протяжении нескольких месяцев орган "мариновали" в растворе формалина, а затем поместили в жидкий парафин.

После этого мозг нарезали при помощи микротома на более чем 7400 слоёв, ширина каждого из которых не превышала 20 микрометров (пятая часть ширины человеческого волоса). Отметим, что, как правило, мозг для исследований нарезается на гораздо более толстые слои, ширина которых составляет один миллиметр. Затем учёные сделали цифровые снимки слоёв с разрешением в 13 тысяч на 11 тысяч пикселей.

Следующими этапами было изучение каждого слоя с помощью микроскопа и воссоздание трёхмерной структуры мозга из полученных изображений. Этот процесс занял у исследователей более 1000 часов работы на сверхмощном компьютере. Даже если какой-то слой был срезан под углом, компьютерная программа вычисляла изначальную трёхмерную форму правильно, ориентируясь на высокое разрешение снимков.

Как сообщается в пресс-релизе , качество полученной 3D-модели в 50 раз превышало качество предыдущих аналогов, созданных при помощи магнитно-резонансной томографии. Такая карта позволит исследовать функции мозга на клеточном уровне, хотя на ней и не видны абсолютно все межклеточные соединения и нейронные связи.

Так или иначе, проект BigBrain станет крайне полезным для фундаментальной науки и медицины. "К примеру, карту можно использовать при проведении магнитно-резонансной томографии пациенту, который перенёс серьёзную черепно-мозговую травму. Атлас поможет определить, какие именно участки пострадали и требуют лечения", — предлагает Дамьен Галано (Damien Galanaud), нейробиолог из больницы Питье-Сальпетриер в Париже, который не принимал участия в исследовании. Галано занимается изучение последствий черепно-мозговых травм.

Впрочем, карта проекта BigBrain, конечно же, не универсальна, есть у неё и недостатки. "Помимо того, что ещё на этапе нарезания мозга на слои могли быть допущены ошибки, необходимо учитывать, что структура головного мозга у каждого человека индивидуальна и эти погрешности необходимо принимать во внимание. Я считаю, что необходимо объединить данные этого проекта с результатами предыдущих, менее качественных изысканий для создания более универсальной карты человеческого мозга", — говорит нейробиолог Джон Мацциотта (John Mazziotta) из Калифорнийского университета, который не принимал участия в проекте BigBrain.

Хорошо дополнить данные, полученные Амунтс и её командой, может другой . В ходе исследований, проведенных в апреле 2013 года, учёные удалили все липидные оболочки органа и получили полностью прозрачный мозг, изучение которого в дальнейшем стало намного проще.

Добавим, что команда Амунтс понимает важность индивидуальных особенностей структуры мозга и потому нацелена на проведение дальнейшего изучения этого органа. Учёные планируют создать аналогичную модель мозга мужчины и более молодой женщины, чтобы выявить половые и возрастные отличия.

Уоррен Селмен (Warren Selman), председатель факультета нейрохирургии Университетского госпиталя в Кливленде, считает, что ещё одним недостатком атласа BigBrain является тот факт, что он составлен на основе мозга умершего человека. В данном случае невозможно проследить за самым интересным процессом — функционированием и взаимодействиями нейронов. Селмен отмечает, что BigBrain является отличной базой данных, но требует дополнений, чтобы получить полноценные представления о важнейшем органе человеческого тела.

Статью, описывающую работу над проектом и полученные результаты , можно прочитать в журнале Science.

Мозг 65-летней женщины был разрезан на 7400 кусочков, чтобы создать самый подробный в мире трехмерный атлас человеческого мозга и продвинуть исследователей на шаг ближе к обратному проектированию его витиеватых схем.

«Атласы» мозга являются ключевыми инструментами исследователей и врачей для определения того, какие зоны «загораются» в ходе мыслительного процесса, выполнения человеком определенного задания или хирургии под визуализационным контролем. Чем выше разрешение такого атласа, тем лучше врачи могут работать с самыми маленькими частями мозга и их индивидуальными функциями.

Создатели атласа - специалисты из Канады и Германии - предоставили модель ультравысокого разрешения, в 50 раз более подробной, чем обыкновенный скан - в бесплатном интернет-формате. Они также опубликовали результаты своей работы в четверговом номере журнала Science (Наука).

Атлас, получивший название BigBrain (Большой мозг), создает общую платформу для открытой всемирной научной дискуссии о мозге, говорит один из его создателей Карл Зиллес (Karl Zilles) из университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе.

Зиллес рассказал о новом способе лечения болезни Паркинсона — глубокой стимуляции головного мозга, когда через электроды, имплантированные в определенные точки мозга, отправляются электрические импульсы. Он отметил, что BigBrain, возможно, откроет двери к более точной локализации мест имплантации электродов и сделает этот метод более эффективным.

После того, как тысячи похожих на целлофан кусочков были окрашены и оцифрованы, карта с разрешением практически на уровне клеток продемонстрировала целую систему уровней, волокон и микросхем мозга женщины.

Хоть мозг человека и отличается в зависимости от возраста и личностных особенностей, в целом у него одинаковая анатомия и система распределения структур, говорит один из создателей атласа Алан Эйванс (Alan Evans) из Института нейрохирургии Университета Макгилла в Монреале. Существуют «незначительные различия в форме» среди разных людей, однако все атласы начинаются с одного мозга-«модели» и затем уже развиваются далее.

Больше всего группа ученых была ограничена в возможностях и мощности обработки данных. Чтобы составить карту человеческого мозга с пространственным разрешением в один микрометр - что было ранее сделано с мозгом мыши - потребовалась бы 21 тысяча терабайт данных, а это фактически сделало бы навигацию в проекте невозможной. По сравнению с этим BigBrain с его разрешением в 20 микрометров состоит примерно из одного терабайта информации. Предыдущие основанные на магнитно-резонансной томографии атласы имели разрешение в 1 миллиметр.

Ричард Ли (Richard Leigh), невролог из университета Джона Хопкинса, говорит, что надеется на «тест-драйв» проекта BigBrain в своем исследовании, посвященном восстановлению после инсульта. С возможностью отслеживания микроскопических деталей Ли сможет увидеть, какие группы нейронов прорастают в ходе процесса восстановления после инсульта. Раньше ему было доступно лишь размытое изображение.

В среду Эйванс находился в Сиэтле, работая вместе с Институом Аллена по исследованиям мозга. Созданный одним из основателей Microsoft Полом Алленом (Paul Allen), который передал учреждению 500 миллионов долларов с момента его образования в 2003году, институт также создал свой - хотя менее подробный - атлас мозга.

BigBrain - это часть Проекта ЕС по человеческому мозгу, в рамках которого специалисты в сфере неврологии, медицины и компютерных наук собираются вместе, чтобы разгадать тайны мозга.

Президент Барак Обама в апреле заявил об инициативе создания карты человеческого мозга, описав ее как путь к лечению неврологических заболеваний и укреплению экономики.

Оригинал публикации: Scientists create high-resolution 3-D atlas of human brain

Может сильно меняться в зависимости от условий окружающей среды. Таким образом, транскриптом характеризует функциональную активность одной клетки, группы клеток, определенной ткани или даже целого организма. Специалисты из Института Аллена под руководством Аллана Джонса составили транскриптомный атлас мозга человека, который позволит не только расширить наши знания о функциях отдельных зон мозга, но и лучше понять причины заболеваний центральной нервной системы.

Эта работа заняла первое место в номинации «лучшее новостное сообщение» конкурса « »-2012.

Спонсор конкурса - дальновидная компания Лайф Текнолоджиз .

От простого к сложному

В 2001 Поль Аллен основал в Сиэттле (США) Институт исследования мозга (Allen Brain Institute). Поскольку начинать сразу с мозга человека было бы слишком самонадеянно, первым проектом Института стал Allen Mouse Brain Atlas - атлас транскриптома головного мозга мыши. Проект был начат в 2004 году и завершен за 2 года.

Целью этого исследования было, во-первых, подробное гистологическое изучение морфологии мозга, а во-вторых, исследование транскриптома с помощью гибридизации in situ (см. врезку). Результат представляет собой полноценную базу данных, где собрана информация о том, в каком участке мозга какие гены работают. Данные представлены как в виде фотографий классических срезов мозга, так и в виде цифрового трехмерного изображения (рис. 1).

Важной особенностью проекта Allen Mouse Brain Atlas было решение авторов выложить все результаты в открытый доступ по адресу www.brain-map.org , где любой желающий может найти информацию об экспрессии конкретного гена в конкретной зоне. Все данные доступны для скачивания, а для опытных пользователей был разработан ряд программ, например NeiroBlast, который позволяет находить гены с одинаковым паттерном экспрессии.

За шесть лет Allen Mouse Brain Atlas стал важным источником информации для экспериментальных работ, в том числе при изучении работы дофаминэргической системы мозга , аддиктивного поведения , разработке моделей для исследования заболеваний нервной системы и многих других. Интересно, что атлас использовался не только учеными, работающими с мышами, но и теми, кто использует в своих исследованиях крыс , дрозофил и даже нематод .

Работа над картой мозга мыши позволила оптимизировать экспериментальные методы для автоматизированной потоковой работы, разработать необходимое программное обеспечение и способы обработки больших массивов данных. Благодаря приобретенному опыту Институт Аллена смог приступить к построению транскриптомной карты головного мозга человека.

Раздел для любителей технических деталей

Две основные методики этого исследования Allen Brain Atlas называются гибридизацией in situ и методом РНК-микрочипов (по-английски его обычно называют microarray ). Оба они основаны на принципе комплементарности азотистых оснований.

Гибридизация in situ

Образование водородных связей по принципу комплементарности между первой молекулой РНК (исходно присутствующей в клетке) и второй (созданной экспериментатором) с образованием двуцепочечного комплекса называется гибридизацией. In situ (лат. «на месте») добавляют к названию метода, т.к. гибридизация РНК в этом случае производится непосредственно там, где клетки производят РНК - в образце ткани. Если пометить комплементарную молекулу РНК и обработать раствором таких молекул образец ткани, то можно визуализировать клетки, производящие данную РНК.

См. также ролики:

• DNA Test Methods - Hybridisation (о гибридизации)
• In Situ Hybridization (о методе и его применении в биологии развития)

РНК-микрочипы

Метод микрочипов также основан на способности РНК к гибридизации. Этот метод можно использовать в крупномасштабных скринингах для регистрации малого количества РНК с высокой чувствительностью.

По масштабу проект Алленовского атласа человеческого мозга можно сравнить с проектом «Геном человека»*. Прежде всего, этот атлас дает надежды на успешный поиск новых подходов к лечению заболеваний нервной системы, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, аутизм и т.п. Разработанный метод анализа позволит сравнивать транскриптомы мозга больных со здоровым контролем, что даст возможность понять молекулярные основы заболевания. Сравнение транскриптома мозга человека и приматов позволит разобраться со многими вопросами эволюции человека (например, почему люди так преуспели в вербальной коммуникации и при чем тут печально известный «ген речи» ).

* - Довольно подробный разбор этой программы приводится в статье « ». - Ред.

Большой интерес представляет исследование функций малоизученных генов, экспрессия которых была обнаружена при составлении атласа. Вероятно, они могут пролить свет на ранее неизвестные или малоизученные аспекты работы мозга и его взаимодействия с другими органами, как например, недавнее открытие роли гена COMT в проявлении эффекта плацебо .

Одним словом, сегодня еще рано судить обо всех возможностях, открывающихся с появлением атласа транскриптома мозга человека, однако не будет преувеличением сказать, что нейробиологи получили новый мощный инструмент для своих исследований.

Литература

1. Lau С. et al. (2008). Exploration and visualization of gene expression with neuroanatomy in the adult mouse brain . BMC Bioinformatics 9, 153;
2. Alavian K.N., Simon H.H. (2009).

Головной мозг располагается в полости черепа. Вес мозга новорожденного малыша составляет примерно 380 грамм у мальчика и 350 грамм у девочки. В течение 5 лет после рождения вес мозга стремительно растет и в возрасте 6 лет мозг практически окончательно сформировывается в своих размерах (на 90%). В 25 лет мозг останавливается в своем росте, а его масса составляет коло 1400-1500 грамм.

Человеческий мозг подразделяется на несколько отделов, каждый из которых выполняет свои предопределенные функции. При визуальном срезе мозга, основные отделы представляются следующим образом.

1. Большие полушария (конечный мозг)

Конечный мозг, который включает в себя правое и левое полушария, мозолистое тело, полосатое тело и обонятельный отдел, выступает в роли наиболее развитого отдела. Полушария подразделяются на 4 ключевые доли:

• Лобная
• Теменная
• Затылочная
• Височная

Лобная доля отвечает за двигательные возможности, теменная – за терморегулирование, затылочная и височная доли – содержат зрительные и соответственно слуховые и обонятельные центры.

1. Промежуточный отдел

Располагается в передней части среднего мозга. Функциями данного отдела является поддерживание температуры тела, кровяного давления, координация работы внутренних органов, а также регулирование двигательных рефлексов. Именно через этот отдел проходят все чувствительные пути к конечному мозгу.

Включает в себя:

• Таламус
• Гипоталамус
• Третий желудочек

1. Средний отдел

Является наименьшим из всех отделов мозга и продолжает путь моста. Выполняет следующие функции:

• Двигательные
• Сенсорные
• Регулирующие

1. Задний мозг (мост и мозжечок)

Мозжечок и мост представляют единую структуру. Мост выполняет соединяющие функции, а именно связывает полушария мозжечка. Непосредственно мозжечок находится за продолговатым отделом мозга, в затылочной области и отвечает за двигательную координацию и поддержание равновесия тела.

1. Продолговатый отдел

Данный мозговой отдел продолжает путь спинномозгового отдела. Он управляет такими функциями, как дыхание, сердечная деятельность, пищеварение, также защитными рефлексами.

Возможно ли изменение структур мозга под влиянием внешних факторов

Многочисленные исследования показывают, что наш мозг реагирует на абсолютно все различные изменения. Однако, в зависимости от состояния человека или методе воздействия на его, мозг работает по-разному.

Для того чтобы наглядно разобрать как мы видим мозг при различных способах воздействия на него, были проведен эксперимент с использованием МРТ диагностики:

Чтобы понять, как работает мозг счастливого человека, ученые из Японии провели исследование, которое показало, что мозг у счастливых людей вырабатывает большее количество серого вещества в предклинье, чем у несчастливых людей. Предклинье – это малая часть мозга, которая заложена в теменной доле. Ученые утверждают, что эта часть отвечает за наше самосознание и зрительно-пространственное восприятие образов.

Исследование показало, что более счастливые люди обладают более высокими показателями серого вещества в предклинье. По мнению ученых, есть прямая связь между происходящими в мозге явлениями и ощущением удовлетворенности своей жизнью.

Следовательно, любые внешние раздражители могут менять нашу мозговую структуру, однако, каждый отдельный случай по-разному воздействует на наш мозг.