Группа исследователей из Гарвардского университета и Google Research разработала самую подробную трехмерную карту человеческого мозга. Карта, объединившая 1400 терабайт цифровых данных, включает не менее 57 тысяч нейронов, 230 миллиметров кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов на одном кубическом миллиметре мозга. Полученные изображения показывают впечатляющую сложность человеческого мозга и детали, ранее не обнаруженные.
Сложность микроструктуры мозга обуславливает наши когнитивные способности. Наше знание этой структуры ограничено из-за недостатка высококачественных образцов. Биопсия может предоставить ценные сведения о работе органа и патологических процессах, но редко проводится с человеческим мозгом.
В настоящее время болезни можно моделировать на клеточных культурах или органоидах. Но моделей точно воспроизводящих заболевания нервной системы очень мало. Животные могут служить неплохими моделями для изучения некоторых болезней, но их мозг, даже мозг других приматов, сильно отличается от человеческого.
Чтобы заполнить пустоты, создано много атласов, показывающих связи между нейронами человеческого мозга, но большинство из них имеют лишь ограниченное разрешение. Этот тип атласа, называемый «коннектом», позволяет проследить сложность взаимосвязей на уровне отдельного нейрона. По мнению команды Гарварда и Google, наномасштабное картирование необходимо для расширения нашего понимания работы мозга и механизмов болезней, которые его поражают.
«Для постижения механизмов работы мозга, обработки им информации и хранения воспоминаний необходима карта с высоким разрешением. Ведущий исследователь из команды Google Вирен Джайн заявил об этом в интервью изданию MIT Technology Review. Новая карта коннектома, разработанная Джайном и его коллегами, — самая точная и полная на сегодня.
Искусственный интеллект помог преодолеть главные сложности.
Создание новой карты, описанной в журнале Science, потребовало преодоления ряда сложностей, включая прослеживание связей между нейронами. Только во внешнем слое мозга насчитывается около 16 миллиардов нейронов, соединенных друг с другом сотнями миллиардов синапсов. Один нейрон может соединяться с несколькими тысячами аксонов для получения и отправки информации тысячам других нейронов. Это делает создание коннектома чрезвычайно сложным даже для очень маленькой части мозга.
Вторая трудность заключалась в получении образца ткани мозга хорошего качества. Мозг быстро разрушается после смерти, поэтому трупные образцы не подходили. Команде удалось получить свежий образец размером в один кубический миллиметр из передней височной доли пациента с эпилепсией. Фрагмент был удален во время операции для уменьшения приступов, обработан смолой и разрезан на слои. Их изучали с помощью высокоскоростного электронного микроскопа, созданного специально для проекта.
Сложностями являлось то, что аксоны ориентированы во все стороны, создавая разнообразные связи. Ошибившись в одном месте, вся проводная сеть станет недействительной. — Объясняет Джайн. Чтобы исключить вероятность ошибок, исследователи применили модель машинного обучения для цифрового сопоставления участков ткани мозга с точными соединениями нейронов. Искусственный интеллект затем выделил цветом каждую связь и идентифицировал их по отдельности.
Беспрецедентная детализация в 1 400 терабайтах данных
Исследование показало, что в кубическом миллиметре ткани мозга содержится 57 тысяч нейронов, 230 миллиметров кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов. Хотя это очень маленький участок мозга, для составления карты был использован огромный набор данных: 1,4 петабайта (1400 терабайт). Это самый большой набор данных о структуре человеческого мозга с таким разрешением, который когда-либо собирался.
«Слово ‘фрагмент’ звучит иронично— говорит Джефф Лихтман, руководитель проекта, в интервью газете The Harvard Gazette. Большинство людей считают терабайт огромным объёмом, однако участок головного мозга всё равно вмещает тысячи терабайт. — добавляет он. Для картирования всего человеческого мозга потребуется примерно один эксабайт данных, равный объему хранилища данных в ЦЕРН для Большого адронного коллайдера.
Исследователи обнаружили, что у некоторых пар нейронов может быть до 50 связей аксонами. Некоторые аксоны образуют запутанные узлы, названные «аксонными витками», которые встречаются нечасто и иногда располагаются на поверхности других нейронов.
Кроме того, отдельные группы нейронов обычно расположены зеркально друг относительно друга. Пока специалисты не выяснили, связана ли такая структура с заболеванием пациента или это обычное явление для некоторых групп нейронов, случайно сформированных в этом порядке. Многое было неприемлемо для тех, кто полагался на учебники. «, — говорит Лихтман.
Следующим шагом станет составление карты гиппокампа мыши — области, важной для неврологии из-за роли в развитии памяти и неврологических заболеваний. В данный момент коннект доступен бесплатно на платформе. .