Совместная группа исследователей из Гарвардского университета и Google Research создала самую подробную на сегодняшний день трехмерную карту человеческого мозга. Реконструкция, объединившая 1 400 терабайт цифровых данных, включает не менее 57 000 нейронов, 230 миллиметров кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов — и все это на одном кубическом миллиметре мозга. Полученные изображения подчеркивают впечатляющую сложность человеческого мозга, а также детали, которые никогда ранее не были обнаружены.
Сложность микроструктуры мозга лежит в основе присущих нам когнитивных способностей. Однако наше понимание этой структуры значительно ограничено из-за отсутствия доступа к высококачественным образцам мозга. Например, биопсия может дать ценную информацию о функционировании органа и патологических состояниях, которые могут на него повлиять, но она редко проводится с человеческим мозгом.
С другой стороны, сегодня патологии можно воспроизвести на клеточных культурах или органоидах. Однако моделей, достоверно отражающих заболевания, поражающие мозг, очень мало. Более того, хотя животные являются достаточно хорошими моделями для изучения некоторых заболеваний, их мозг — и даже мозг других приматов — радикально отличается от нашего собственного.
Чтобы восполнить пробелы, было создано множество атласов, отображающих связи между нейронами человеческого мозга, но большинство из них имеют лишь ограниченное разрешение. Этот тип атласа, называемый «коннектом», позволяет проследить сложность взаимосвязей на уровне отдельного нейрона. По мнению команды Гарварда и Google, наномасштабное картирование необходимо для расширения нашего понимания работы мозга и механизмов заболеваний, которые его поражают.
«Чтобы действительно понять, как работает человеческий мозг, как он обрабатывает информацию, как хранит воспоминания, нам понадобится карта с таким разрешением«, — сказал Вирен Джайн, ведущий исследователь из команды Google, в интервью изданию MIT Technology Review. Новая карта коннектома, созданная Джайном и его коллегами, является самой четкой и подробной на сегодняшний день.
Возбуждающие нейроны окрашены в соответствии с размером (самые крупные — красные, самые мелкие — синие). Их диаметр составляет от 15 до 30 микрометров.
Основные трудности преодолены с помощью искусственного интеллекта
Чтобы создать новую карту, описанную в журнале Science, исследователям пришлось преодолеть несколько трудностей, в том числе проследить связи между нейронами. Только во внешнем слое мозга насчитывается около 16 миллиардов нейронов, соединенных друг с другом сотнями миллиардов синапсов. Один нейрон может соединяться с несколькими тысячами аксонов, чтобы (получать и) отправлять информацию тысячам других нейронов. Это делает создание коннектома чрезвычайно сложным даже для очень маленькой части мозга.
Вторая проблема заключалась в получении высококачественного, достаточно хорошо сохранившегося образца ткани мозга. Однако, учитывая, что мозг после вскрытия очень быстро разрушается, о трупных образцах не могло быть и речи. Чтобы преодолеть это препятствие, команде посчастливилось получить свежий образец размером в один кубический миллиметр из передней височной доли пациента с эпилепсией. Фрагмент был удален во время операции, чтобы уменьшить приступы. Затем образец был обработан смолой и разрезан на несколько слоев, которые были изучены с помощью высокоскоростного электронного микроскопа, созданного специально для этого проекта.
Еще одна сложность заключалась в том, что аксоны ориентированы во всех направлениях, образуя самые разные связи. Однако «если допустить одну ошибку, то все соединения, присоединенные к этому проводу, также окажутся неверными«, — объясняет Джайн. Чтобы избежать риска ошибок, исследователи использовали модель машинного обучения, чтобы в цифровом виде связать участки ткани мозга с точными соединениями нейронов. Затем искусственный интеллект выделил цветом каждую из этих связей и идентифицировал их по отдельности.
Этот одиночный нейрон (белый) соединен с более чем 5000 аксонов (синий) от других нейронов.
Беспрецедентная детализация в 1 400 терабайтах данных
Новый коннетом показал, что кубический миллиметр ткани мозга содержит 57 000 нейронов, 230 миллиметров кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов. Хотя это всего лишь крошечный фрагмент мозга, при составлении карты был обработан огромный набор данных: 1,4 петабайта (1400 терабайт). Это самый большой набор данных о структуре человеческого мозга с таким разрешением, который когда-либо собирался.
«Слово ‘фрагмент’ звучит иронично«, — объясняет Джефф Лихтман, руководитель проекта, в интервью The Harvard Gazette. «Для большинства людей терабайт — это гигантский 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 сильно связаны друг с другом аксонами — до 50 связей. Некоторые аксоны также образуют своеобразные запутанные узлы, которые они назвали «аксонными витками». Такие завитки встречаются относительно редко и иногда встраиваются в поверхность других нейронов.
3D-модель, показывающая витки аксона (синим цветом).
Более того, некоторые кластеры нейронов, как правило, ориентированы «зеркально» по отношению к другим. На данный момент эксперты не знают, связаны ли такие структуры с патологическим состоянием пациента или это просто редкие кластеры, собранные случайным образом: «Было так много вещей, которые несовместимы с тем, что вы могли бы прочитать в учебнике«, — говорит Лихтман.
В качестве следующего шага команда планирует составить карту гиппокампа мыши — области, которая особенно важна для неврологии из-за ее участия в развитии памяти и различных неврологических заболеваний. Пока же коннектом доступен бесплатно на платформе Neuroglancer.
