Исследователи Google и Гарварда представили самую подробную на сегодняшний день карту человеческого мозга⁠⁠

Группа исследователей из Гарвардского университета и Google Research вместе создали самую подробную трехмерную карту человеческого мозга, которая существует на данный момент. Эта реконструкция, собравшая в себе огромный объем цифровых данных в 1 400 терабайт, включает более 57 000 нейронов, 230 миллиметров кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов - все это представлено на одном кубическом миллиметре мозговой ткани. Полученные изображения выделяют сложность структуры человеческого мозга и раскрывают детали, которые ранее оставались незамеченными.

Микроструктура мозга играет ключевую роль в наших когнитивных способностях. Однако наше понимание этой структуры ограничено из-за недостатка доступа к высококачественным образцам мозговой ткани. Например, биопсия может предоставить ценные сведения о функционировании органа и его патологических состояниях, но такие исследования на человеческом мозге проводятся редко.

С другой стороны, сегодня можно воссоздать патологии на клеточных культурах или органоидах. Тем не менее, моделей, точно отражающих заболевания мозга, недостаточно. Более того, хотя животные служат неплохими моделями для изучения некоторых заболеваний, их мозг, включая мозг других приматов, существенно отличается от человеческого.

Для заполнения этих пробелов было создано множество атласов, отображающих связи между нейронами человеческого мозга, но большинство из них обладает ограниченным разрешением. Этот новый тип атласа, известный как "коннектом", позволяет отслеживать сложные взаимосвязи на уровне отдельных нейронов. По мнению исследователей из Гарварда и Google, такое наномасштабное картирование необходимо для расширения наших знаний о функционировании мозга и механизмах заболеваний, которые его поражают.

"Чтобы исследовать, как работает человеческий мозг, как он обрабатывает информацию, как хранит воспоминания, нам нужна карта с таким высоким разрешением", - отмечает Вирен Джайн, ведущий исследователь из Google, в интервью MIT Technology Review. Новая карта коннектома, созданная Джайном и его коллегами, представляет собой наиболее четкое и подробное изображение на сегодняшний день.

Стимулирующие нейроны окрашены в соответствии с их размером, от самых крупных (красных) до самых мелких (синих). Их диаметр варьируется от 15 до 30 микрометров.

Для создания новой карты, описанной в журнале Science, исследователям пришлось преодолеть несколько трудностей, включая сложность отслеживания связей между нейронами. Внешний слой мозга содержит около 16 миллиардов нейронов, связанных между собой сотнями миллиардов синапсов. Это делает создание коннектома чрезвычайно сложным, даже для очень малой области мозга.

Еще одной проблемой было получение высококачественного образца ткани мозга, достаточно хорошо сохранившегося. Однако, учитывая быстрое разрушение мозга после смерти, трупные образцы не подходили. Для преодоления этой проблемы команде удалось получить свежий образец размером один кубический миллиметр из передней височной доли пациента с эпилепсией. Образец был удален во время операции для снижения приступов. Затем его обработали смолой и разрезали на несколько слоев, которые исследовали с помощью высокоскоростного электронного микроскопа, специально разработанного для этого проекта.

Еще одной сложностью является то, что аксоны ориентированы во всех направлениях, образуя различные связи. Однако любая ошибка в соединениях аксонов может привести к неверным результатам. Для предотвращения этого риска исследователи использовали модель машинного обучения, чтобы точно связать участки мозговой ткани с соединениями нейронов в цифровом формате. Затем искусственный интеллект окрасил каждую связь и идентифицировал их индивидуально.

Новый коннетом показал, что в кубическом миллиметре мозговой ткани содержится 57 000 нейронов, 230 миллиметров кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов. Несмотря на то что это лишь малая часть мозга, картирование потребовало огромного объема данных: 1,4 петабайта (1400 терабайт). Это самый большой объем данных о структуре человеческого мозга с таким высоким разрешением, когда-либо собранный.

"Слово 'фрагмент' может показаться ироничным", - объясняет Джефф Лихтман, руководитель проекта, в интервью The Harvard Gazette. "Для многих людей терабайт - это огромный объем, но фрагмент человеческого мозга все равно представляет собой тысячи терабайт", - добавляет он. Таким образом, для картирования всего человеческого мозга потребуется около 1 эксабайта (EB) данных, что соответствует емкости центров данных ЦЕРН для Большого адронного коллайдера (БАК).

Удивительно, но исследователи обнаружили, что некоторые пары нейронов имеют многочисленные связи друг с другом через аксоны - до 50 связей. Некоторые аксоны образуют сложные узлы, которые назвали "аксонными витками". Такие витки встречаются редко и иногда встраиваются в структуру других нейронов.

Более того, некоторые кластеры нейронов ориентированы "зеркально" по отношению к другим. На данный момент эксперты не могут сказать, связаны ли такие структуры с патологическими состояниями или они являются лишь редкими кластерами, собранными случайным образом. "Мы столкнулись с таким количеством неожиданных результатов, которые не укладываются в рамки существующих теорий", - отмечает Лихтман.

В качестве следующего шага команда планирует составить карту гиппокампа мыши - области, играющей важную роль в неврологии из-за ее участия в формировании памяти и различных неврологических заболеваниях. Пока же коннектом доступен бесплатно на платформе Neuroglancer.