Карта мозга: 1 мм³ и 150 миллионов синапсов

Аспирантка Марта Арбису Гомес анализирует карту одного кубического миллиметра коры головного мозга с нанометровым разрешением; это важная веха коннектомики для профессиональной когнитивной реабилитации.

Исследователям удалось достичь важной вехи в коннектомике, создав одну из самых подробных на сегодняшний день карт человеческого мозга. Обнаружение «сверхсильных» мультисинаптических соединений и соотношение глии и нейронов 2:1 по-новому определяют изучение нейронных цепей. Для специалистов по нейрореабилитации эти данные служат основой для более точных и персонализированных программ когнитивной стимуляции.

Зачем нужны подробные карты мозга?

Понимание того, как функционирует человеческий мозг, — одна из величайших задач нейронауки. Хотя благодаря таким методам, как магнитно-резонансная томография и функциональная нейровизуализация, мы много знаем об общей организации мозга, эти инструменты не позволяют напрямую наблюдать, как нейроны соединяются друг с другом на микроскопическом уровне.

Когнитивные функции — такие как память, внимание и обучение — возникают благодаря сложным сетям 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, стало важным шагом в этом направлении. Исследователи реконструировали с нанометровым разрешением фрагмент коры человеческого мозга объёмом примерно один кубический миллиметр, создав одну из самых подробных карт человеческого мозга на сегодняшний день.

Эта работа представляет собой важный прорыв в области коннектомики, цель которой — картографировать все нейронные связи мозга.

Как проводилось это исследование человеческого мозга?

Исследованную ткань мозга получили во время нейрохирургического вмешательства по поводу эпилепсии. Несмотря на небольшой размер — около 1 мм³ височной коры, — фрагмент 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.

Всего в ходе исследования было получено:

Более 1,4 петабайта данных изображений.
Около 57 000 идентифицированных клеток.
Почти 150 миллионов обнаруженных синапсов.

Эти данные анализировали с помощью передовых инструментов машинного обучения и трёхмерной реконструкции, которые позволили идентифицировать нейроны, глиальные клетки, кровеносные сосуды и синаптические соединения внутри исследованного объёма.

Трёхмерная реконструкция фрагмента коры человеческого мозга объёмом примерно 1 мм³, полученная с помощью электронной микроскопии. NeuronUP. — Изображение 1. Трёхмерная реконструкция фрагмента коры человеческого мозга объёмом примерно 1 мм³, полученная с помощью электронной микроскопии. Набор данных включает около 57 000 клеток и 150 миллионов синапсов, что позволяет подробно анализировать микроскопическую организацию нейронных цепей. Изображение адаптировано из Shapson-Coe et al., Science (2024).

Предыдущий рисунок показывает огромную структурную сложность, заключённую в чрезвычайно малом объёме коры головного мозга, и наглядно демонстрирует техническую сложность реконструкции человеческих нейронных цепей в таком масштабе.

Что показывает микроскопическая структура коры головного мозга?

Детальный анализ позволил описать организацию мозговой ткани на микроскопическом уровне.

В исследованном объёме нейропиль — сеть отростков нейронов и глиальных клеток — был примерно на столько:

Немиелинизированные аксоны: ~40 %
Дендриты: ~26 %
Глиальные отростки: ~15 %
Тела клеток: ~9 %
Миелинизированные аксоны: ~7 %

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

Исследование также позволило идентифицировать шесть слоёв коры головного мозга, каждый из которых обладает специфическими клеточными характеристиками.

Как организованы связи между нейронами?

Одним из наиболее интересных аспектов работы является анализ синаптических связей.

Исследователи идентифицировали около 150 миллионов синапсов, которые классифицировали следующим образом:

Возбуждающие синапсы: ~67 %
Тормозные синапсы: ~33 %

Кроме того, была выявлена характерная закономерность организации:

Тормозные синапсы чаще концентрируются вблизи тела клетки.
Возбуждающие синапсы преимущественно расположены на дендритных шипиках.

Такое распределение отражает равновесие между возбуждением и торможением, обеспечивающее стабильную работу нейронных цепей.

Новые типы организации нейронов

Исследование также позволило выявить структурные особенности, почти не описанные ранее.

Например, исследователи изучили особый тип нейронов глубоких слоёв коры, называемых «треугольными нейронами». У этих клеток имеется крупный базальный дендрит, ориентированный в определённых направлениях.

К удивлению исследователей, нейроны объединяются в две основные симметричные группы по ориентации, что указывает на ранее неизвестную структурную организацию этих корковых слоёв.

Это открытие может помочь лучше понять, как организованы цепи в глубоких областях мозга.

Удивительно сильные синаптические связи

Ещё одно интересное открытие связано с силой нейронных связей.

В большинстве случаев аксон образует с целевым нейроном один синапс, что составляет примерно 96 % связей.

Однако исследователи обнаружили редкие случаи, когда один и тот же аксон образовывал множество синапсов с одним нейроном, вплоть до более чем 50 связей между одной и той же парой нейронов.

Эти результаты позволяют предположить, что корковые цепи сочетают:

множество слабых связей;
небольшое число очень сильных связей.

Такая закономерность может иметь фундаментальное значение для эффективной передачи информации в мозге.

Каковы последствия этой карты мозга для нейронауки?

Это исследование показывает, что реконструировать человеческие нейронные цепи синаптического разрешения возможно, хотя ещё несколько лет назад это казалось технически недостижимым.

Кроме того, исследователи опубликовали полный набор данных и инструменты анализа, благодаря чему другие учёные смогут изучать мозговую ткань с беспрецедентным уровнем детализации.

По мере создания новых карт такого типа станет возможным:

лучше понять организацию цепей человеческого мозга;
изучить, как меняются эти связи при неврологических заболеваниях;
проанализировать, как опыт и обучение изменяют нейронные сети.

Таким образом, эта работа представляет собой важный шаг к более глубокому пониманию микроскопической архитектуры человеческого мозга.

Как это достижение связано с NeuronUP?

В NeuronUP разрабатываются цифровые инструменты для реабилитации и когнитивной стимуляции на основе научных данных.

Исследования в области коннектомики дают фундаментальную основу для понимания организации нейронных цепей, обеспечивающих когнитивные функции, такие как память, внимание и исполнительные функции.

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

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

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

Заключение

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

Хотя исследованный объём невелик, он содержит огромную структурную сложность: десятки тысяч клеток и сотни миллионов связей, образующих высокоорганизованные цепи.

Эта работа знаменует собой важную 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.

Часто задаваемые вопросы о коннектомике и когнитивной реабилитации

1. Что такое коннектомика и почему она важна для нейрореабилитации?

Коннектомика — это область нейронауки, которая стремится составить полную карту нейронных связей мозга. Её значение для нейрореабилитации заключается в возможности понять физическую основу таких когнитивных функций, как память и внимание, возникающих благодаря сложным сетям, соединённым миллионами синапсов. Эти знания необходимы для разработки более точных стратегий когнитивной стимуляции, основанных на реальной архитектуре мозга.

2. Какие ключевые открытия даёт новая карта одного кубического миллиметра коры головного мозга?

Эта карта, одна из самых подробных на сегодняшний день, показывает поразительную структурную сложность в крошечном объёме. Среди наиболее значимых открытий:

Выявление «сверхсильных» мультисинаптических соединений, при которых один аксон образует более 50 синапсов с одним и тем же нейроном.
Наблюдение, что глиальные клетки превосходят нейроны по численности в соотношении 2:1.
Открытие «треугольных нейронов» в глубоких слоях с ранее неизвестной симметричной организацией.

3. Сколько клеток и синапсов было идентифицировано в этом фрагменте мозга?

Несмотря на небольшой размер — примерно один кубический миллиметр, — исследователям удалось реконструировать в цифровом виде:

около 57 000 идентифицированных клеток;
примерно 150 миллионов синапсов.

Для этого процесса потребовалось создать более 1,4 петабайта данных изображений с помощью электронной микроскопии высокого разрешения.

4. Как распределяются возбуждающие и тормозные синапсы в коре?

Исследование позволило классифицировать синапсы на два основных типа, отражающих необходимый для стабильной работы мозга баланс:

Возбуждающие синапсы (~67 %): преимущественно расположены на дендритных шипиках.
Тормозные синапсы (~33 %): чаще концентрируются рядом с телом клетки (сомой) нейрона.

5. Как NeuronUP интегрирует эти достижения в свою платформу когнитивной стимуляции?

NeuronUP использует научные данные, полученные благодаря коннектомике, для обоснования своих цифровых инструментов реабилитации. Чем лучше мы понимаем организацию цепей, обеспечивающих исполнительные функции и память, тем более персонализированные и эффективные стратегии вмешательства можно разрабатывать для людей с когнитивными нарушениями или нейродегенеративными заболеваниями.