Мозг играет важную роль в том, как люди ориентируются в мире, генерируя мысли и поведение. Несмотря на то, что он является одним из важнейших органов жизни, он занимает всего 2% от объема человеческого тела . Как такое маленькое устройство может выполнять такие сложные задачи?
К счастью, современные инструменты, такие как картирование мозга , позволили неврологам вроде меня ответить на этот точный вопрос. Составив карту того, как организованы все типы клеток в мозгу, и изучив, как они взаимодействуют друг с другом, нейробиологи могут лучше понять, как мозг обычно работает, и что происходит, когда определенные части клеток отсутствуют или работают неправильно, пишет medicalxpress.com.
История картирования мозга.
Задача понимания внутренней работы мозга на протяжении веков увлекала философов и ученых. Аристотель предположил, что мозг - это то место, где обитает дух. Леонардо да Винчи нарисовал анатомические изображения мозга с восковой заливкой. И Сантьяго Рамон-и-Кахаль с его работой 1906 года о клеточной структуре нервной системы, получившей Нобелевскую премию, сделал один из первых прорывов, которые привели к современной нейробиологии, какой мы ее знаем.
Используя новый способ визуализации отдельных клеток, называемый окрашиванием по Гольджи , метод, впервые предложенный одним из лауреатов Нобелевской премии Камилло Гольджи, и микроскопическое исследование ткани мозга, Кахаль основал доктрину семенных нейронов . Этот принцип гласит, что нейроны, среди основных типов клеток мозга, общаются друг с другом через промежутки между ними, называемые синапсами. Эти открытия начали гонку за пониманием клеточного состава мозга и того, как клетки мозга связаны друг с другом.
С тех пор в нейробиологии произошел стремительный взрыв новых экспериментальных инструментов. Прыгнув на 100 лет вперед, современные инструменты, называемые нейротехниками , которые включают картирование мозга, дали нейробиологам возможность внимательно изучить каждый компонент мозга. Моя лаборатория использовала эти инструменты картирования мозга, чтобы понять, какие типы клеток составляют мозг и как они способствуют формированию познания.
Наука о картировании мозга.
Так как же работает картирование мозга?
Ученым сначала нужно обозначить или визуализировать определенный тип клеток. Этот процесс похож на поиск иголки в стоге сена - было бы намного легче найти, светилась ли игла или тип клетки. Это можно сделать с помощью генетических методов или методов иммуноокрашивания. В генетическом методе используются животные, такие как мыши, которых можно генетически модифицировать, поэтому при определенных флуоресцентных лампах виден только тип клеток-мишеней. С другой стороны, методы иммуноокрашивания делают образцы мозга прозрачными с помощью специальной химической обработки и используют антитела для маркировки целевого типа клеток с помощью флуоресцентной метки.
Метод CLARITY делает мозг прозрачным, поэтому его можно исследовать на молекулярном уровне.
Следующий шаг - получить изображение всего мозга с помощью методов микроскопии, которые позволяют ученым видеть части, слишком маленькие для того, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Специализированные инструменты микроскопии позволяют делать снимки или фрагменты всего мозга. Сшивание этих фрагментов изображения вместе может восстановить неповрежденный трехмерный объем, подобный фотомозаике. Это похоже на построение карты мозга в Google: объединив миллионы отдельных уличных фотографий, вы можете увеличить масштаб, чтобы увидеть каждый угол улицы, и уменьшить масштаб, чтобы увидеть весь город.
Неудивительно, что этот тип трехмерного изображения создает очень большие наборы данных. Несмотря на то, что мозг мыши меньше кончика пальца человека , размер этих наборов данных может легко достигать от нескольких сотен гигабайт до терабайта. К счастью, замечательные достижения в области компьютерного оборудования и программного обеспечения сделали возможным крупномасштабный анализ данных. Алгоритмы искусственного интеллекта, в частности, позволили ученым обнаружить множество различных характеристик клеток мозга, таких как форма и размер клеток, а также процессы, которым они подвергаются.
Как только ученые смогут определить тип своей целевой клетки в наборе данных изображения, последний шаг - определить местонахождение конкретных клеточных функций в эталонном мозге. Этот эталонный мозг служит стандартизированной картой, на которой показано расположение каждой области мозга. Затем ученые могут использовать эту карту для сравнения с мозгом отдельных людей и отмечать их вариации.
Эти шаги повторяются для каждого типа клеток, создавая более богатую и полную карту мозга с каждым прогоном.
Совместная работа над созданием карты мозга.
У ученых теперь есть инструменты для очень мельчайших подробностей исследования всего мозга. Были предприняты значительные усилия по координации и объединению данных из исследовательских лабораторий по картированию мозга для создания всеобъемлющих карт мозга. Например, в рамках инициативы US BRAIN была создана сеть переписи клеток (BICCN) инициативы BRAIN, в которой участвует моя лаборатория. Совместные исследовательские группы в сети недавно выпустили наиболее полную карту типов клеток моторной коры головного мозга у людей, обезьян и мышей.
Но достаточно ли этого, чтобы понять, как работает мозг?
Технические достижения в области окрашивания клеток и микроскопии помогли Сантьяго Рамону-и-Кахалу сделать свое ключевое открытие в области нейронов. Однако именно его способность придумать теорию, объясняющую свои наблюдения, продвинула понимание нейробиологами мозга.
В то время как исследователи были заняты сбором невероятно подробной информации о мозге, использование этих данных для создания новых теорий о том, как работает мозг, отстает. Карта клеток не обязательно говорит исследователям, как клетки функционируют и взаимодействуют друг с другом в целом. Например, как эти невероятно сложные сети типов клеток мозга работают вместе для генерации познания? Есть ли в мозгу базовая единица, которая управляет его формированием и функциями? Ответы на подобные вопросы помогут исследователям понять, как конкретные изменения мозга связаны с различными заболеваниями мозга, такими как деменция, и придумать новые стратегии их лечения.
Это очень интересное время для исследований в области нейробиологии. Невероятно богатое картирование мозга с высоким разрешением дает нейробиологам прекрасную возможность глубоко задуматься о том, что эти новые данные говорят о том, как работает мозг. Хотя о мозге еще много неизвестного, эти новые инструменты и методы могут помочь выявить их.