Сделан первый большой шаг в создании карты человеческого мозга
Путь к пониманию человеческого мозга долгий и трудный, и один из краеугольных камней на этом пути — строительство базы данных. За последние несколько лет неврологи приступили к реализации нескольких амбициозных проектов, чтобы разобраться в связях нейронов, которые делают нас людьми и позволяют это осознавать. Генри Маркрам в Великобритании возглавляет Human Brain Project, план по строительству компьютерной модели мозга стоимостью в 1,3 миллиарда долларов. В США инициатива BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) надеется своим собственным интересным образом создать карту динамической активности 86 миллиардов нейронов.
Теперь Алленовский институт наук о мозге, ключевой игрок инициативы BRAIN, запустил базу данных о нейронных типах клеток, которая выступает в качестве первого шага на пути к полному пониманию мозга. Это первый краеугольный камень в 10-летнем плане MindScope, который ставит целью определить работу системы зрения мыши и начинает с разработки функциональной таксономии всех различных типов нейронов в ее мозге.
«Большой план заключается в попытке понять, как работает мозг, — говорит Лидия Нг, директор по технологиям базы данных. — Типы клеток являются строительными блоками мозга и создание большой модели их совместного размещения поможет нам понять всю активность, которая протекает в процессе восприятия чего-то и создает действие, основанное на этом восприятии».
Allen Cell Types Database, алленовская база данных типов клеток, на первый взгляд, выглядит довольно просто. Первый выпуск включает в себя информацию всего о 240 нейронах из сотен тысяч в зрительной коре мыши с акцентом на электрофизиологию отдельных клеток: электрических импульсов, которые активируют нейрон, инициируя паттерн нервной деятельности, которая приводит к восприятию и действию. Но глубокое понимание этих отдельных клеток, достаточное, чтобы разложить их на более крупные категории, будет иметь решающее значение для понимания мозга как единого целого — что-то вроде периодической таблицы, которая была необходима для установки основных химических принципов.
Хотя исследователи прошли долгий путь в изучении мозга, большая часть информации, которая у них есть, представлена либо в виде большой картины, в форме функциональных сканов, отображающих активность областей мозга, либо в малых масштабах, вроде экспрессии нейротрансмиттеров и их рецепторов в отдельных нейронах. Но связь между этими двумя масштабами — как совместные действия миллиарды нейронов отражаются в паттернах активности и поведения — остается неясной. Неврологи даже не имеют четкого представления о том, как много существует разных типов клеток, а это важно для понимания их совместной работы. «Много фундаментальной информации просто отсутствует, — говорит Аллан Джонс, CEO проекта, — поэтому когда мы начали, мы сосредоточились на так называемом редукционистском подходе, пытаясь понять части целого».
Когда база данных будет полной, она первой в мире сможет собирать информацию с отдельных клеток по четырем простым, но важным параметрам: форма клетки, экспрессия гена, положение в мозге, электрическая активность. Пока институт отслеживает три из этих переменных, делая снимки в высоком разрешении десятков электрически стимулируемых нейронов с помощью светового микроскопа, тщательно отмечая их позицию в коре мозга мыши. «Первые выводы важны тем, что имеют конечное число классов. Мы можем логически разбить клетки на классы».
Затем институт будет накапливать данные экспрессии генов в отдельных клетках, секвенируя их РНК, и сбор всех четырех переменных в конечном счете приведет к полной таксономии типов клеток. Эта система классификации поможет анатомам, физикам и неврологам эффективней направлять изучение нейронов и строить более точные модели кортикальной функции. Но важно отметить, что база данных важна не только своим содержанием. То, как будет собираться и измеряться это содержание, также имеет важное значение для будущей широкой картины инициатив по картированию мозга.
Чтобы создать единую модель мозга, неврологи должны собрать миллионы отдельных точек данных на основе нейронов мозга. Для начала они будут принимать электрические показатели живых нейронов, укалывая их крошечными пипетками микронных масштабов. Эти пипетки будут поставлять ток к клеткам — достаточно, чтобы активировать их — и записывать электрическую выходную мощность клетки. Но есть много способов составить эти электрические показатели, и, чтобы понять нейронную систему как единое целое, неврологи должны использовать одну и ту же технику всякий раз, чтобы убедиться, что электрические следы можно будет сравнивать от нейрона к нейрону.
Институт Аллена в сотрудничестве с другими крупными хабами неврологии —Калтехом, Нью-Йоркской медицинской школой, Медицинским институтом Говарда Хьюза в Беркли — договорился использовать одну и ту же методику электрической трассировки всех нейронов, которые изучались до текущего момента. И хотя данные этого первого набора нейронов мыши по большей части были собраны в Институте Аллена, общая инициатива позволит поделиться полезными наработками с другими участниками проекта и новыми институтами. Идея заключается в том, что, если все работают по одной схеме, результаты работ можно объединить в одном месте.
Это будет чрезвычайно важно, когда институт начнет картировать не только нейроны мыши, но и человека. В мышином мозге несложно ориентироваться в отдельных областях, получая электрические показания нейронов с определенной части зрительной коры. Но в человеческом мозге это сделать не так-то просто. «Обычно эти клетки приходят от пациентов — люди, которые хотят получить нейрохирургическое вмешательство при эпилепсии или при удалении опухолей», — говорит Нг. Чтобы хирург добрался до определенной части мозга, ему нужно удалить некоторое количество нормальной ткани по пути, и на этом материале неврологи могут проводить эксперименты, изучать его.
Поскольку хирургам не приходится выбирать, какие именно ткани головного мозга можно изъять, ученые Института Аллена и других учреждений должны быть крайне осторожны, протоколируя изучаемые клетки — по положению, по экспрессии генов, по электрической активности, по форме — сообща, чтобы ни одна клетка не пропала. Все вместе уже ненужные части этих человеческих мозгов могут быть полезны для составления карты одного большого мозга.
Автор: Илья Хель
Источник: Hi-news.ru
