Исследователи нанесли на карту крошечный участок человеческого мозга в беспрецедентном масштабе, подробно детализируя каждую клетку мозга или нейрон, а также сложные сети, которые они образуют с другими клетками.
Инновационная карта мозга, созданная исследователями Гарварда и Google, показывает примерно 57 000 нейронов, 9 дюймов (230 миллиметров) кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов, или точек соединения между нейронами.
Доктор Джефф Лихтман, профессор молекулярной и клеточной биологии Гарвардского университета, который возглавлял 10-летний проект, сказал, что не мог поверить подробной карте, когда впервые увидел ее. «Я никогда раньше не видел ничего подобного», — сказал он Live Science.
Человеческий мозг – чрезвычайно сложный орган, около 170 миллиардов клеток, в том числе 86 миллиардов нейронов. Ранее исследователи заглядывали в мозг на уровне миллиметров с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). А совсем недавно передовые методы микроскопии позволили выявить детали в гораздо меньшем масштабе, улучшив наше понимание внутренней работы мозга.
Связанный: Самая подробная карта человеческого мозга за всю историю содержит 3300 типов клеток
Теперь, используя эти методы микроскопии и искусственный интеллект (ИИ) под названием машинное обучение, Лихтман и его коллеги создали 3D-карту участка мозга в масштабе нанометра, или 1 миллионной доли миллиметра. На нем представлено изображение органа с самым высоким разрешением, которого когда-либо достигали ученые.
Полученный атлас клеток, описанный в журнале Наука 9 мая тоже доступен ученым для просмотра в Интернете.
На этой карте изображен крошечный кусочек мозга объемом около 1 кубического миллиметра — меньше рисового зернышка. Мозг взрослого человека в миллион раз больше.
Фрагмент мозга был взят у 45-летней женщины, перенесшей операцию на головном мозге по поводу эпилепсии. Врачи извлекли осколок из коры головного мозга. самая внешняя часть ее мозга. Зафиксировав образец консервантами, исследователи окрасили его тяжелыми металлами, чтобы лучше увидеть клетки. Затем они залили ткань смолой и разрезали ее на более чем 5000 кусочков, каждый толщиной около 30 нанометров.
Изображение 1 из 2
«Это примерно тысячная толщина пряди волос», — сказал Лихтман. Команда отсканировала каждый срез с помощью высокоскоростного электронного микроскопа, который использует несколько лучей электронов для освещения клеток в образце. Затем они отправили данные микроскопии в Google для дальнейшего анализа с использованием искусственного интеллекта.
Исследователи Google использовали модели машинного обучения, чтобы идентифицировать один и тот же объект на разных микроскопических изображениях, а затем создать 3D-рендеринг каждого объекта на всех изображениях. Затем они с помощью электроники сшили изображения вместе, чтобы реконструировать весь образец в трех измерениях. Окончательная 3D-карта содержит гигантские 1,4 петабайта или 1 миллион гигабайт данных.
«Объем и сложность данных, полученных в этом проекте, потребовали от Google разработки современных алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта для реконструкции трехмерного коннектома», Вирен Джайнстарший научный сотрудник Google, который соруководил проектом, рассказал Live Science по электронной почте.
Подробная карта ученых содержит несколько сюрпризов. Например, они обнаружили, что некоторые из отходящих проводов нейронов, или аксонов, сворачиваются в узлы, образуя завитки, которые Джайн назвал «загадочными, но красивыми». Команда также обнаружила редкие связи между нейронами, в которых отдельные аксоны были связаны до 50 синапсами.
«Мы все еще изучаем функцию этих связей, но они могут объяснить, как кодируются очень быстрые реакции или очень важные воспоминания», — сказал Джайн Live Science.
Еще неизвестно, имеют ли завитки и сверхсильные синапсы какое-либо отношение к эпилепсии донора ткани, или же их можно увидеть в мозгу людей без этого заболевания, отметил Лихтман. Он добавил, что в настоящее время команда исследует ткань мозга человека с болезнью Паркинсона, так что это может начать решать этот вопрос.
Он добавил, что маловероятно, что образцы мозговой ткани любых двух людей будут выглядеть совершенно одинаково, отчасти потому, что то, как работает мозг, зависит от опыта человека.
Затем команда намерена составить карту всего мозга мыши, размер которого будет в 500 раз больше, чем у этого образца человеческого мозга. Они начинают с гиппокампа, ключевого региона обучения и памяти.
«Мы уже приступили к этой амбициозной задаче», — сказал Лихтман.
Вы когда-нибудь задумывались, почему некоторые люди наращивают мышцы легче, чем другие или почему веснушки вылезают на солнце? Присылайте нам свои вопросы о том, как работает человеческое тело, чтобы сообщество@livescience.com с темой «Health Desk Q», и вы сможете увидеть ответ на свой вопрос на веб-сайте!
