Самая подробная карта человеческого мозга: реконструкция одного кубического миллиметра коры головного мозга

Докторант Марта Арбису Гомес анализирует карту одного кубического миллиметра коры головного мозга с нанометровым разрешением — веху в коннектомике, важную для профессиональной когнитивной реабилитации.

Исследователи достигли важного рубежа в коннектомике, создав одну из самых подробных на сегодняшний день карт человеческого мозга. Обнаружение «сверхсильных» мультисинаптических связей и соотношения глии и нейронов 2:1 меняет представления об изучении нейронных цепей. Для специалистов по нейрореабилитации эти данные служат основой более точных и персонализированных программ когнитивной стимуляции.

Зачем нужны подробные карты мозга?

Понять, как работает человеческий мозг, — одна из величайших задач нейронауки. Хотя благодаря таким методам, как МРТ и функциональная нейровизуализация, мы многое знаем об общей организации мозга, эти инструменты не позволяют напрямую увидеть, как нейроны соединяются друг с другом на микроскопическом уровне.

Когнитивные функции — такие как память, внимание или обучение — возникают из сложных сетей нейронов, соединённых миллионами синапсов. Однако до недавнего времени реконструировать эти сети с достаточной детализацией в человеческой ткани было чрезвычайно сложно.

Исследование, опубликованное в Science в 2024 году, — важный шаг в этом направлении. Исследователям удалось с нанометровым разрешением реконструировать фрагмент коры человеческого мозга объёмом около одного кубического миллиметра, создав одну из самых подробных карт человеческого мозга на сегодняшний день.

Эта работа — ключевое достижение в области коннектомики, цель которой — картировать все нейронные связи мозга.

Как проводилось это исследование человеческого мозга?

Исследованная ткань мозга была получена во время нейрохирургической операции по лечению эпилепсии. Хотя фрагмент небольшой — около 1 мм³ височной коры, — он обладает огромной структурной сложностью.

Для изучения образца исследователи использовали серийную электронную микроскопию — метод, позволяющий получать изображения с нанометровым разрешением. Ткань разрезали на тысячи ультратонких срезов, а затем реконструировали в цифровом виде.

В целом исследование дало:

• более 1,4 петабайта данных изображений;
• около 57 000 идентифицированных клеток;
• около 150 миллионов обнаруженных синапсов.

Эти данные анализировались с помощью передовых инструментов машинного обучения и трёхмерной реконструкции, которые позволили идентифицировать нейроны, глиальные клетки, кровеносные сосуды и синаптические связи в исследованном объёме.

Рисунок выше иллюстрирует огромную структурную сложность, заключённую в крайне малом объёме коры мозга, что показывает, насколько технически сложно реконструировать нейронные цепи человека в таком масштабе.

Что показывает микроскопическая структура коры головного мозга?

Детальный анализ позволил описать, как организована ткань мозга на микроскопическом уровне.

В исследованном объёме так называемый нейропиль — сеть отростков нейронов и глии — состоял примерно из:

• немиелинизированных аксонов: ~40 %
• дендритов: ~26 %
• глиальных отростков: ~15 %
• тел клеток: ~9 %
• миелинизированных аксонов: ~7 %

Кроме того, исследователи отметили, что глиальные клетки превосходят нейроны по численности примерно в соотношении 2:1, что подтверждает фундаментальную роль этих клеток в работе мозга.

Исследование также позволило выделить шесть слоёв коры головного мозга, каждый со своими клеточными особенностями.

Как организованы связи между нейронами?

Один из самых интересных аспектов работы — анализ синаптических связей.

Исследователи выявили около 150 миллионов синапсов, которые были разделены на:

• возбуждающие синапсы: ~67 %
• тормозные синапсы: ~33 %

Кроме того, была выявлена характерная закономерность организации:

• тормозные синапсы чаще сосредоточены вблизи тела клетки;
• возбуждающие синапсы расположены в основном на дендритных шипиках.

Такое распределение отражает баланс возбуждения и торможения, обеспечивающий стабильную работу нейронных цепей.

Новые типы нейронной организации

Исследование также позволило выявить малоописанные до сих пор структурные особенности.

Например, исследователи проанализировали особый тип нейронов глубоких слоёв коры — так называемые «треугольные нейроны». У этих клеток есть крупный базальный дендрит, ориентированный в определённых направлениях.

Удивительно, но нейроны группируются по двум основным симметричным ориентациям, что указывает на ранее неизвестную структурную организацию в этих слоях коры.

Эта находка может помочь лучше понять, как организованы цепи в глубоких областях мозга.

Удивительно сильные синаптические связи

Ещё одно интересное открытие касается силы нейронных связей.

В большинстве случаев аксон образует с целевым нейроном единственный синапс — это около 96% связей.

Однако исследователи обнаружили редкие случаи, когда один и тот же аксон образовывал множество синапсов с одним нейроном — до более чем 50 связей в одной паре нейронов.

Эти результаты говорят о том, что корковые цепи сочетают:

• множество слабых связей
• небольшое число очень сильных связей

Такая закономерность может быть ключевой для эффективной передачи информации в мозге.

Что эта карта мозга означает для нейронауки?

Это исследование показывает, что реконструировать нейронные цепи человека с синаптическим разрешением возможно — ещё несколько лет назад это казалось технически недостижимым.

Кроме того, исследователи опубликовали полный набор данных и инструменты анализа, что позволит другим учёным изучать ткань мозга с беспрецедентной детализацией.

По мере появления новых подобных карт станет возможным:

• лучше понимать организацию цепей человеческого мозга;
• изучать, как эти связи меняются при неврологических заболеваниях;
• анализировать, как опыт и обучение изменяют нейронные сети.

В конечном счёте эта работа — важный шаг к более глубокому пониманию микроскопической архитектуры человеческого мозга.

Как это достижение связано с NeuronUP?

NeuronUP разрабатывает цифровые инструменты для когнитивной реабилитации и стимуляции, основанные на научных данных.

Исследования в коннектомике дают фундаментальную основу для понимания того, как организованы нейронные цепи, обеспечивающие когнитивные функции, такие как память, внимание или исполнительные функции.

По мере того как мы лучше поймём эти цепи, станет возможным:

• разрабатывать более точные когнитивные вмешательства;
• выявлять закономерности нейронного повреждения при нейродегенеративных заболеваниях;
• создавать более персонализированные стратегии реабилитации.

Таким образом, достижения в понимании архитектуры мозга дополняют цифровые инструменты когнитивной реабилитации, помогая улучшить качество жизни людей с когнитивными нарушениями.

Заключение

Реконструкция одного кубического миллиметра коры человеческого мозга с нанометровым разрешением — одна из самых подробных карт мозга, когда-либо полученных.

Хотя исследованный объём мал, он обладает огромной структурной сложностью: десятки тысяч клеток и сотни миллионов связей, образующих высокоорганизованные цепи.

Эта работа знаменует собой веху в изучении связности мозга и открывает новые возможности для понимания того, как микроскопическая структура мозга обеспечивает наши когнитивные способности.

Библиография

• Shapson-Coe A, Januszewski M, Berger DR, et al. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution. Science. 2024; doi:10.1126/science.adk4858.