Атлас мозга с микронным разрешением появился в открытом доступе. Головной мозг

Головной мозг, encephalon, является высшим органом нервной системы, регулирующим взаимоотношения организма и среды, а также управляющим функциями организма.

С анатомо-функциональных позиций выделяют несколько уровней:

I уровень - высший, осуществляющий высшее управление чувствительной и двигательной сферами, процессами логического мышления, памяти, воображения (кора головного мозга);

II уровень - управление непроизвольными движениями и регуляция мышечного тонуса (базальные ядра полушарий большого мозга);

III уровень - центр эмоционального контроля и эндокринной регуляции - представлен лимбической системой (гиппокамп, гипофиз, гипоталамус, поясная извилина, миндалевидное ядро);

IV уровень - низший, управляющий вегетативными функциями организма и передающий сигналы в различные центры (ретикулярная формация и некоторые другие центры ствола мозга).

Большой мозг, cerebrum;
вид сверху.

Головной мозг залегает в полости черепа. Форма внутренней поверхности черепа повторяет форму и рельеф головного мозга.

У взрослого человека головной мозг (без твердой мозговой оболочки) имеет массу в среднем 1375 г , сагиттальный размер составляет 16 - 17 см, поперечный - 13-14 см, вертикальный - 10,5-12,5 см; средний объем - 1200 м3.

Прямая связь массы мозга и одаренности человека не подтверждается.

Головной мозг подразделяют на ствол головного мозга, мозжечок и большой мозг.

Большой мозг покрывает мозжечок и ствол мозга, так что обе эти части головного мозга видны лишь со стороны его нижней поверхности, окруженные лобными и височными долями большого мозга.

На нижних поверхностях лобных долей расположены обонятельные луковицы и обонятельные тракты , задние концы которых переходят в обонятельные треугольники . Эти образования входят в состав обонятельного мозга, составляющего часть большого мозга.

Позади обонятельных треугольников находится зрительный перекрест , продолжающийся кзади и латерально в зрительные тракты . Сзади к зрительному перекресту прилежит серый бугор , позади которого лежат сосцевидные тела . Эти образования относятся к промежуточному мозгу.
Латеральнее и кзади от сосцевидных тел видны ножки мозга (части среднего мозга ). Далее кзади виден мост , глубокой бороздой отделенный от продолговатого мозга. По бокам от моста и продолговатого мозга выступают полушария мозжечка .

Мост и мозжечок составляют задний мозг . Последний вместе с продолговатым мозгом представляют ромбовидный мозг . Продолговатый мозг, мост, средний и промежуточный мозг вместе образуют ствол мозга .

На нижней поверхности головного мозга видны места выхода 12 пар черепных нервов .
I пара - обонятельные нервы; проходят через продырявленную пластинку решетчатой кости и вступают в обонятельную луковицу.
II пара - зрительные нервы; выходят из зрительных каналов и образуют зрительный перекрест.
III пара - глазодвигательные нервы; выходят из медиальной поверхности ножек мозга.

IV пара - блоковые нервы; огибают латеральную поверхность ножек мозга.
V пара - тройничные нервы, выходят из боковых участков моста.
VI пара - отводящие нервы,

VII пара - лицевые нервы,

VIII пара - преддверно-улитковые нервы; все выходят из заднего края моста (VI пара - ближе к срединной линии).
IX пара - языкоглоточные нервы,

X пара - блуждающие нервы,

XI пара - добавочные нервы; все выходят из продолговатого мозга, ближе к его задней поверхности.
XII пара - подъязычные нервы; принадлежат продолговатому мозгу, но их корешки выходят ближе к его передней поверхности.

Выпуклая поверхность головного мозга полностью образована полушариями большого мозга.

На сагиттальном разрезе головного мозга видны все его отделы и их крупные части. Значительную часть разреза занимает медиальная поверхность полушарий большого мозга, ограниченная снизу мозолистым телом . Еще ниже виден свод мозга. Под затылочной долей полушарий большого мозга находится мозжечок .

Остальные образования, видные на разрезе, принадлежат стволу мозга : таламус и гипоталамус (промежуточный мозг), крыша среднего мозга и ножки мозга (средний мозг), мост и продолговатый мозг.

Гловной мозг, encephalon ; вид снизу.

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.

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.

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.

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

Средний отдел

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

Двигательные
Сенсорные
Регулирующие

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.

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.

Новый цифровой ресурс поможет ученым исследовать анатомию человеческого мозга в трех измерениях с невиданными ранее подробностями: это BigBrain, трехмерная «карта» мозга, созданная в рамках проекта ЕС «Мозг человека», сообщает MIT Technology Review.

Ученые во главе с Катрин Амунтс (Katrin Amunts) из Юлихского исследовательского центра и Дюссельдорфского университета им. Г. Гейне сначала просканировали мозг недавно умершей от естественных причин здоровой шестидесятипятилетней женщины - путем магнитно-резонансной томографии, потом погрузили его в парафиновый воск и разрезали на 7500 тонких «ломтиков», толщиной всего 20 микрометров. Каждый «ломтик» был выложен на специальную пластинку и оцифрован с помощью планшетного сканера.

Алан Эванс (Alan Evans), профессор Монреальского неврологического института при Университете МакГилла, ведущий автор исследования, рассказал, что потом его коллегам пришлось «справиться с задачей объединения 7500 клочков пленки для заворачивания продуктов» в трехмерный цифровой объект. На многих «ломтиках» и имелись небольшие трещины, разрывы и деформации, так что ученым пришлось вручную исправлять картинки, очищая их от главных «шрамов». С второстепенными разобралась специальная программа. Руководствуясь изображениями, полученными в результате МРТ и известными связями между соседствующими областями, они расположили все оцифрованные фрагменты мозга в «бесшовный» трехмерный объект, «вес» которого - один терабайт.

Как сообщает Эванс, существующие трехмерные атласы анатомии мозга человека обычно ограничиваются небольшим разрешением МРТ-изображний - около миллиметра. Атлас же BigBrain позволяет детализацию изображения до 20 микрометров во всех трех измерениях. Этого недостаточно для анализа индивидуальных клеток, но, тем не менее, можно различить различные слои клеток и их организацию в мозге.

Джошуа Сэйнс (Joshua Sanes), нейрофизиолог из Гарвардского университета, утверждает, что BigBrain еще на один шаг приблизил нас к мечте ученых - рассмотреть мозг человека «с тем же разрешением, в котором мы смотрим на мозг мышей и мух». Но атлас являет собой лишь техническое достижение, он не способен дать ответы на вопросы об активности или функциях мозга, или о связях между нейронами. Наконец, атлас создан на основе одного-единственного мозга и не учитывает разнообразие устройства этого органа у людей.

Но для науки атлас всё же не бесполезен. Обе крупнейшие мировые программы изучения мозга человека (европейская и американская) стремятся объединить различные виды данных о структуре и функциях мозга, и на их основе выстроить компьютерные модели, для изучения, например, развития сознания в раннем возрасте или неврологических нарушений. Для успеха таких проектов нужно подробное изображение анатомии мозга - в качестве платформы, на которую можно помещать новую информацию. «BigBrain - это корабль-носитель», - говорит Эванс.

Авторы атласа собираются в дальнейшем изучить экспрессию генов и распределение нейромедиаторов в мозге, а также сравнить существующую модель с другими образцами мозга (для изучения пределов вариативности структурных черт 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.