stringtranslate.com

Картирование мозга

Картирование мозга — это набор методов нейронауки , основанных на отображении (биологических) величин или свойств на пространственных представлениях (человеческого или нечеловеческого) мозга , в результате чего создаются карты .

Согласно определению, данному в 2013 году Обществом картирования и терапии мозга (SBMT), картирование мозга вкратце определяется как изучение анатомии и функций головного и спинного мозга с использованием визуализации , иммуногистохимии , молекулярной и оптогенетики , стволовых клеток и клеточной биологии , инженерии , нейрофизиологии и нанотехнологий .

В 2024 году группа из 287 исследователей завершила полное картирование мозга взрослого животного ( Drosophila melanogaster , или плодовой мушки) и опубликовала свои результаты в журнале Nature . [1] [2]

Обзор

Вся нейровизуализация считается частью картирования мозга. Картирование мозга можно рассматривать как более высокую форму нейровизуализации, создающую изображения мозга, дополненные результатом дополнительной (визуализирующей или невизуализирующей) обработки или анализа данных, например, карт, проецирующих (измерения) поведения на области мозга (см. фМРТ ). Одна из таких карт, называемая коннектограммой , изображает области коры вокруг круга, организованные по долям. Концентрические круги внутри кольца представляют различные общие неврологические измерения, такие как толщина или кривизна коры. В центре кругов линии, представляющие волокна белого вещества, иллюстрируют связи между областями коры, взвешенные по дробной анизотропии и силе связи. [3] При более высоком разрешении карты мозга называются коннектомами . Эти карты включают отдельные нейронные связи в мозге и часто представляются в виде схем электропроводки . [4]

Методы картирования мозга постоянно развиваются и опираются на разработку и совершенствование методов получения, представления, анализа, визуализации и интерпретации изображений. [5] Функциональная и структурная нейровизуализация лежит в основе аспекта картирования мозга.

Некоторые ученые критиковали заявления, основанные на изображениях мозга, сделанные в научных журналах и популярной прессе, например, открытие «части мозга, ответственной» за такие вещи, как любовь или музыкальные способности или конкретная память. Многие методы картирования имеют относительно низкое разрешение, включая сотни тысяч нейронов в одном вокселе . Многие функции также задействуют несколько частей мозга, что означает, что этот тип заявления, вероятно, не может быть проверен с помощью используемого оборудования и, как правило, основан на неверном предположении о том, как разделены функции мозга. Возможно, что большинство функций мозга будут правильно описаны только после измерения с помощью гораздо более мелких измерений, которые смотрят не на большие области, а на очень большое количество крошечных отдельных мозговых цепей . Многие из этих исследований также имеют технические проблемы, такие как небольшой размер выборки или плохая калибровка оборудования, что означает, что их невозможно воспроизвести — соображения, которые иногда игнорируются для создания сенсационной журнальной статьи или заголовка новостей. В некоторых случаях методы картирования мозга используются в коммерческих целях, для обнаружения лжи или медицинской диагностики способами, которые не были научно подтверждены. [6] [ нужна страница ]

История

В конце 1980-х годов в Соединенных Штатах Институту медицины Национальной академии наук было поручено создать комиссию для изучения ценности интеграции нейробиологической информации в различные методики. [7] [ нужна страница ]

Особый интерес представляет использование структурной и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), диффузионной МРТ (дМРТ), магнитоэнцефалографии (МЭГ), электроэнцефалографии ( ЭЭГ ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), ближней инфракрасной спектроскопии (БИКС) и других неинвазивных методов сканирования для картирования анатомии , физиологии , перфузии , функции и фенотипов человеческого мозга. Как здоровый, так и больной мозг может быть картирован для изучения памяти , обучения , старения и эффектов лекарств в различных группах населения, таких как люди с шизофренией , аутизмом и клинической депрессией . Это привело к созданию проекта «Человеческий мозг» . [8] [ нужна страница ] Это также может иметь решающее значение для понимания травматических повреждений головного мозга (как в случае Финеаса Гейджа ) [9] и улучшения лечения травм головного мозга. [10] [11]

После серии встреч был создан Международный консорциум по картированию мозга (ICBM). [12] [ нужна страница ] Конечной целью является разработка гибких вычислительных атласов мозга .

Достижения

Музей Eyewire — это интерактивный цифровой каталог, визуализирующий данные о клетках сетчатки мыши. [13]

Интерактивный и гражданский научный сайт Eyewire картирует клетки сетчатки мышей и был запущен в 2012 году. В 2021 году исследователи из Google опубликовали самую полную 3D-карту человеческого мозга . Она показывает нейроны и их связи вместе с кровеносными сосудами и другими компонентами миллионной доли мозга. Для карты фрагмент размером 1 мм³ был разрезан примерно на 5300 частей толщиной около 30 нанометров , которые затем были отсканированы с помощью электронного микроскопа . Интерактивная карта потребовала 1,4 петабайта дискового пространства. [14] [15] Примерно через два месяца ученые сообщили, что создали первую полную 3D-карту мозга обезьяны с разрешением на уровне нейронов, которую они отсканировали с помощью нового метода в течение 100 часов. Они сделали общедоступной только часть 3D-карты, поскольку вся карта занимает более 1 петабайта дискового пространства даже в сжатом виде. [16] [17]

В октябре 2021 года Сеть переписи клеток инициативы BRAIN завершила первую фазу долгосрочного проекта по созданию атласа всего мозга мыши (млекопитающего) с 17 исследованиями, включая атлас и перепись типов клеток в первичной моторной коре . [18] [19] [20]

В 2024 году FlyWire, команда из 287 исследователей из 76 учреждений, завершила картирование мозга, или коннектом, взрослого животного ( Drosophila melanogaster , или плодовой мушки), и опубликовала свои результаты в журнале Nature . [1] До этого единственным взрослым животным, мозг которого был полностью реконструирован, была нематода Caenorhabditis elegans , но карта мозга плодовой мушки является первой «полной картой любого сложного мозга», по словам Мурти, одного из участвовавших исследователей. [2] Первичные данные картирования были собраны с помощью электронной микроскопии , с помощью искусственного интеллекта и гражданских ученых , которые исправили ошибки, допущенные искусственным интеллектом. Полученная модель имела более 140 000 нейронов с более чем 50 миллионами синапсов. [21] С помощью модели исследователи ожидают определить, как мозг создает новые связи для таких функций, как зрение, создавая цифровые эквиваленты близнецов , чтобы отслеживать, как сегменты карты нейронных связей взаимодействуют с внешними сигналами, включая нервную систему. [22]

Развитие мозга

В 2021 году был опубликован первый коннектом, показывающий, как мозг животного меняется на протяжении всей его жизни. Ученые картировали и сравнили весь мозг восьми изогенных червей C. elegans , каждый из которых находился на разной стадии развития. [23] [24] Позже в том же году ученые объединили электронную микроскопию и визуализацию с помощью мозговой дуги, чтобы впервые показать развитие нейронной цепи млекопитающих. Они сообщили о полных схемах проводки между ЦНС и мышцами десяти отдельных мышей. [25]

Зрение

В августе 2021 года ученые программы MICrONS , запущенной в 2016 году, [26] опубликовали набор данных функциональной коннектомики, который «содержит кальциевую визуализацию приблизительно 75 000 нейронов первичной зрительной коры (VISp) и трех высших зрительных областей (VISrl, VISal и VISlm), которые были записаны, когда мышь просматривала естественные фильмы и параметрические стимулы». [27] [28] На основе этих данных они также опубликовали «интерактивные визуализации анатомических и функциональных данных, которые охватывают все 6 слоев первичной зрительной коры мыши и 3 высших зрительных области (LM, AL, RL) в объеме кубического миллиметра» – MICrONS Explorer . [29]

Регенерация мозга

В 2022 году первый пространственно-временной клеточный атлас развития и регенерации мозга аксолотля , интерактивная интерпретация регенерационного конечного мозга аксолотля с помощью пространственно-временного транскриптомного атласа , раскрыл ключевые идеи о регенерации мозга аксолотля. [30] [31]

Текущие инструменты атласа

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Хокинг, Том (2024-10-02). «Ученые впервые картировали каждый нейрон мозга взрослого животного». Popular Science . Получено 2024-10-03 .
  2. ^ ab Zimmer, Carl. «Спустя десятилетие ученые раскрывают мозг мухи в ошеломляющих подробностях». The New York Times . The New York Times Company. Архивировано из оригинала 2 октября 2024 г. Получено 4 октября 2024 г.
  3. ^ Иримия, Андрей; Чемберс, Мика К.; Торгерсон, Каринна М.; Хорн, Джон Д. (2012). «Круговое представление сетей коры головного мозга человека для визуализации коннектомики на уровне субъекта и популяции». NeuroImage . 60 (2): 1340–51. doi :10.1016/j.neuroimage.2012.01.107. PMC 3594415 . PMID  22305988. 
  4. ^ Ши, Y (май 2017). «Визуализация коннектома для картирования путей человеческого мозга». Nature . 22 (9): 1230–1240. doi : 10.1038/mp.2017.92 . PMC 5568931 . PMID  28461700. 
  5. ^ Камбара, Т; Суд, С; Алькатан, З; Клингерт, К; Ратнам, Д; Хаякава, А; Накаи, Ю; Луат, А.Ф.; Агарвал, Р; Ротермель, Р; Асано, Э (2018). «Дооперационное картирование языка с использованием высокой гамма-активности, связанной с событием: Детройтская процедура». Клин Нейрофизиол . 129 (1): 145–154. дои : 10.1016/j.clinph.2017.10.018. ПМЦ 5744878 . ПМИД  29190521. 
  6. ^ Сейтел, Салли Л.; Лилиенфельд, Скотт О. (2015). Промытые мозги: соблазнительная привлекательность бессмысленной нейронауки . Нью-Йорк: Basic Books (Perseus Book Group). ISBN 978-0-465-06291-1.
  7. ^ Печура, Констанс М.; Мартин, Джозеф Б. (1991). Картирование мозга и его функций: интеграция технологий обеспечения в исследования нейронауки . Институт медицины (США). Комитет по национальной базе данных нейронных цепей. doi : 10.17226/1816 . ISBN 978-0-309-04497-4. PMID  25121208.
  8. ^ Koslow, Stephen H.; Huerta, Michael F., ред. (1997). Neuroinformatics: An Overview of the Human Brain Project . Mahwah, New Jersey: L. Eribaum. ISBN 978-1-134-79842-1.
  9. ^ Ван Хорн, Джон Даррелл; Иримия, Андрей; Торгерсон, Каринна М.; Чемберс, Мика К.; Кикинис, Рон; Тога, Артур В. (2012). Спорнс, Олаф (ред.). «Картографирование повреждения связности в случае Финеаса Гейджа». PLOS ONE . 7 (5): e37454. Bibcode : 2012PLoSO...737454V. doi : 10.1371/journal.pone.0037454 . PMC 3353935. PMID  22616011 . 
  10. ^ Иримия, Андрей; Чемберс, Мика С.; Торгерсон, Каринна М.; Филиппоу, Мария; Ховда, Дэвид А.; Элджер, Джеффри Р.; Гериг, Гвидо; Тога, Артур В.; Веспа, Пол М.; Кикинис, Рон; Ван Хорн, Джон Д. (2012). «Индивидуальная визуализация коннектомики для оценки атрофии белого вещества при травматических повреждениях мозга». Frontiers in Neurology . 3 : 10. doi : 10.3389/fneur.2012.00010 . PMC 3275792. PMID  22363313 . 
  11. ^ Мохан, Мохинд С (15 марта 2021 г.). Генная карта расстройств, связанных с травмами головного мозга (1-е изд.). Academic Press. стр. 123–134. ISBN 978-0-12-821974-4.
  12. ^ Тога, Артур В.; Мацциотта, Джон К., ред. (2002). Картирование мозга: методы. Том 1. Academic Press (Elsevier Science). ISBN 978-0-12-693019-1.
  13. ^ Bae, J. Alexander; Mu, Shang; Kim, Jinseop S.; Turner, Nicholas L.; Tartavull, Ignacio; Kemnitz, Nico; Jordan, Chris S.; Norton, Alex D.; Silversmith, William M.; Prentki, Rachel; Sorek, Marissa; David, Celia; Jones, Devon L.; Bland, Doug; Sterling, Amy LR; Park, Jungman; Briggman, Kevin L.; Seung, H. Sebastian (17 мая 2018 г.). «Цифровой музей ганглиозных клеток сетчатки с плотной анатомией и физиологией». Cell . 173 (5): 1293–1306.e19. doi :10.1016/j.cell.2018.04.040. ISSN  1097-4172. PMC 6556895. PMID  29775596 . 
  14. ^ "Google и Гарвард составили беспрецедентную карту мозговых связей". New Atlas . 2021-06-02 . Получено 13 июня 2021 г. .
  15. ^ Шапсон-Коу, Александр; Янушевский, Михал; Бергер, Дэниел Р.; Поуп, Арт; Ву, Юэлун; Блейкли, Тим; Шалек, Ричард Л.; Ли, Питер; Ван, Шуохонг; Майтин-Шепард, Джереми; Карлупия, Неха; Доркенвальд, Свен; Шостедт, Эвелина; Ливитт, Ларами; Ли, Донгил; Бейли, Люк; Фицморис, Анжерика; Кар, Рохин; Филд, Бенджамин; Ву, Хэнк; Вагнер-Карена, Джулиан; Алей, Дэвид; Лау, Джоанна; Лин, Зуди; Вэй, Донглай; Пфистер, Ханспетер; Пелег, Ади; Джейн, Вирен; Лихтман, Джефф У. (2021-05-30). «Коннектомное исследование петасталлического фрагмента коры головного мозга человека». bioRxiv : 2021.05.29.446289. doi :10.1101/2021.05.29.446289. S2CID  235270687 . Получено 13 июня 2021 г. .
  16. ^ «Китайская команда надеется, что изображение мозга обезьяны в высоком разрешении раскроет секреты». South China Morning Post . 1 августа 2021 г. Получено 13 августа 2021 г.
  17. ^ Сюй, Фан; Шен, Ян; Дин, Луфэн; Ян, Чао-Ю; Тан, Хэн; Ван, Хао; Чжу, Цинъюань; Сюй, Руй; Ву, Фэнъи; Сяо, Яньян; Сюй, Ченг; Ли, Цяньвэй; Су, Пэн; Чжан, Ли И.; Донг, Хун-Вэй; Дезимона, Роберт; Сюй, Фуцян; Ху, Синьтянь; Лау, Пак-Минг; Би, Го-Цян (26 июля 2021 г.). «Высокопроизводительное картирование всего мозга макаки-резуса с разрешением микрометра». Природная биотехнология . 39 (12): 1521–1528. дои : 10.1038/s41587-021-00986-5. ISSN  1546-1696. PMID  34312500. S2CID  236453498.
  18. ^ "Нейробиологи выпустили первый всеобъемлющий атлас клеток мозга". Калифорнийский университет в Беркли . Получено 16 ноября 2021 г.
  19. ^ Эдвард М. Каллауэй и др. (октябрь 2021 г.). «Мультимодальная перепись клеток и атлас первичной моторной коры млекопитающих». Nature . 598 (7879): 86–102. doi :10.1038/s41586-021-03950-0. ISSN  1476-4687. PMC 8494634 . PMID  34616075. 
  20. ^ Виннубст, Йохан; Арбер, Сильвия (октябрь 2021 г.). «Перепись типов клеток в моторной коре головного мозга». Nature . 598 (7879): 33–34. Bibcode :2021Natur.598...33W. doi :10.1038/d41586-021-02493-8. PMID  34616052. S2CID  238422012 . Получено 16 ноября 2021 г. .
  21. ^ Сэмпл, Ян; редактор Ян Сэмпл Science (2024-10-02). «Крошечный мозг, большое дело: диаграмма плодовой мушки может преобразовать нейробиологию». The Guardian . ISSN  0261-3077 . Получено 2024-10-03 . {{cite news}}: |last2=имеет общее название ( помощь )
  22. ^ "Коннектом FlyWire: схема нейронной проводки полного мозга мухи". Nature . 3 октября 2024 г.
  23. ^ «Почему развитие мозга крошечного червя может пролить свет на человеческое мышление». phys.org . Получено 21 сентября 2021 г.
  24. ^ Witvliet, Daniel; Mulcahy, Ben; Mitchell, James K.; Meirovitch, Yaron; Berger, Daniel R.; Wu, Yuelong; Liu, Yufang; Koh, Wan Xian; Parvathala, Rajeev; Holmyard, Douglas; Schalek, Richard L.; Shavit, Nir; Chisholm, Andrew D.; Lichtman, Jeff W.; Samuel, Aravinthan DT; Zhen, Mei (август 2021 г.). «Коннектомы в процессе развития раскрывают принципы созревания мозга». Nature . 596 (7871): 257–261. Bibcode :2021Natur.596..257W. bioRxiv 10.1101/2020.04.30.066209v3 . doi : 10.1038/s41586-021-03778-8. ISSN 1476-4687  . PMC 8756380. PMID  34349261.  
  25. ^ Мейрович, Ярон; Канг, Кай; Драфт, Райан В.; Паварино, Элиза К.; Энао Э., Мария Ф.; Ян, Дымящийся; Терни, Стивен Г.; Бергер, Дэниел Р.; Пелег, Ади; Шалек, Ричард Л.; Лу, Ю Л.; Тапиа, Хуан-Карлос; Лихтман, Джефф В. (сентябрь 2021 г.). «Нейромышечные коннектомы на протяжении всего развития раскрывают правила синаптического упорядочивания». биоRxiv . дои : 10.1101/2021.09.20.460480. S2CID  237598181.
  26. ^ Цепелевич, Джордана. «Правительство США запускает проект «Аполлон» стоимостью 100 миллионов долларов». Scientific American . Получено 22 ноября 2021 г.
  27. ^ «Это карта полумиллиарда связей в крошечном кусочке мозга мыши». MIT Technology Review . Получено 22 ноября 2021 г.
  28. ^ Консорциум MICRONS; Бэ, Дж. Александр; Батист, Махали; Бодор, Агнес Л.; Бриттен, Деррик; Бьюкенен, Джоэнн; Бамбаргер, Дэниел Дж.; Кастро, Мануэль А.; Селии, Брендан; Кобос, Эрик; Коллман, Форрест; Коста, Нуну Масарико да; Доркенвальд, Свен; Элаббади, Лейла; Фэйи, Пол Г.; Флисс, Тим; Фрударакис, Эммануил; Гейгер, Джей; Гамлин, Клэр; Халагери, Ахилеш; Хебдич, Джеймс; Цзя, Чжэнь; Джордан, Крис; Капнер, Дэниел; Кемниц, Нико; Кинн, Сэм; Кулман, Селден; Кюнер, Кай; Ли, Кисук; Ли, Кай; Лу, Ран; Макрина, Томас; Махалингам, Гаятри; Макрейнольдс, Сара; Миранда, Эланин; Митчелл, Эрик; Мондал, Шанка Субра; Мур, Мерлин; Му, Шан; Мухаммад, Талия; Нехоран, Барак; Огеденгбе, Олувасеун; Пападопулос, Христос; Пападопулос, Стелиос; Патель, Сомил; Питкоу, Хак; Попович, Сергей; Рамос, Энтони; Рид, Р. Клей; Реймер, Джейкоб; Шнайдер-Мизелл, Кейси М.; Сын, Х. Себастьян; Сильверман, Бен; Сильверсмит, Уильям; Стерлинг, Эми; Синц, Фабиан Х.; Смит, Кэмерон Л.; Сукоу, Шелби; Такено, Марк; Тан, Чжэн Х.; Толиас, Андреас С.; Торрес, Рассел; Тернер, Николас Л.; Уокер, Эдгар Ю.; Ван, Тяньюй; Уильямс, Грейс; Уильямс, Сара; Вилли, Кайл; Вилли, Райан; Вонг, Уильям; У, Цзинпэн; Сюй, Крис; Ян, Руньчжэ; Яценко, Дмитрий; Йе, Фэй; Инь, Вэньцзин; Ю, Сы-цзе ( 9 августа 2021 г.). «Функциональная коннектомика, охватывающая несколько областей зрительной коры мыши». bioRxiv 10.1101/2021.07.28.454025 . 
  29. ^ "Cortical MM^3". MICrONS Explorer . Получено 22 ноября 2021 г.
  30. ^ "Single-cell Stereo-seq reveals new insights into axolotl brain recovery". News-Medical.net . 6 сентября 2022 . Получено 19 октября 2022 .
  31. ^ Вэй, Сяоюй; Фу, Сулей; Ли, Ханбо; Лю, Ян; Ван, Шуай; Фэн, Вэйминь; Ян, Юнчжи; Лю, Сявэй; Цзэн, Ян-Юнь; Ченг, Мэннань; Лай, Ивэй; Цю, Сяоцзе; Ву, Лян; Чжан, Наньнань; Цзян, Юцзя; Сюй, Цзяншань; Су, Сяошань; Пэн, Ченг; Хан, Лей; Лу, Уилсон Пак-Кин; Лю, Чуаньюй; Юань, Юэ; Ма, Кайлонг; Ян, Тао; Пан, Сянъюй; Гао, Шан; Чен, Ао; Эстебан, Мигель А.; Ян, Хуаньмин; Ван, Цзянь; Фань, Гуаньи; Лю, Лунци; Чен, Лян; Сюй, Сюнь; Фэй, Цзи-Фэн; Гу, Ин (2 сентября 2022 г.). «Стереосеквенирование отдельных клеток выявляет индуцированные клетки-предшественники, участвующие в регенерации мозга аксолотля» . Наука . 377 (6610): eabp9444. doi :10.1126/science.abp9444. ISSN  0036-8075. PMID  36048929. S2CID  252010604.
  32. ^ Гарвардский атлас всего мозга. Архивировано 18 января 2016 г. на Wayback Machine.
  33. ^ Сераг, Ахмед; Альджабар, Пол; Болл, Гарет; Каунселл, Серена Дж.; Бордман, Джеймс П.; Резерфорд, Мэри А.; Эдвардс, А. Дэвид; Хайнал, Джозеф В.; Рюкерт, Дэниел (2012). «Построение согласованного пространственно-временного атласа высокой четкости развивающегося мозга с использованием адаптивной ядерной регрессии». NeuroImage . 59 (3): 2255–65. doi :10.1016/j.neuroimage.2011.09.062. PMID  21985910. S2CID  9747334.
  34. ^ Ahmad S, Wu W, Wu Z, Thung KH, Liu S, Lin W, Li G, Wang L, Yap PT (2023). «Многогранные атласы человеческого мозга в младенчестве». Nature Methods . 20 (1): 55–64. doi :10.1038/s41592-022-01703-z. PMC 9834057. PMID 36585454.  S2CID 247600108  . 

Дальнейшее чтение