Наука та технології Науковий прорив

Вчені показали найдетальнішее відтворення людського мозку (Фото)

14:45 13 тра 2024.  406 Читайте на: УКР РУС

Наномасштабний проект є гігантським стрибком вперед у розумінні людського мозку.

Маючи понад 1,4 петабайти даних електронної мікроскопії, група вчених реконструювала крихітний кубічний сегмент людського мозку. Це лише міліметр з кожного боку, але в цьому мікроскопічному просторі упаковано 57 000 клітин, 150 мільйонів синапсів і 230 міліметрів ультратонких вен.

Це робота майже десятиліття, це найбільше і детальне відтворення людського мозку на сьогоднішній день, аж до дозволу синапсів структур, які дозволяють нейронам передавати між собою сигнали. Дослідження було опубліковано у журналі Science.

"Слово "фрагмент" іронічне", - говорить нейробіолог Джефф Ліхтман з Гарвардського університету. «Для більшості людей терабайт є гігантським, проте фрагмент людського мозку – лише крихітний, крихітний шматочок людського мозку – як і раніше, становить тисячі терабайт».

Зображення з реконструкції, що показує збуджуючі або пірамідальні нейрони, забарвлені залежно від розміру. (Google Research & Lichtman Lab/Гарвардський університет. Рендерінг Д. Бергера/Гарвардський університет)

Людський мозок відомий своєю складністю. У всьому тваринному світі функції, що виконуються більшістю життєво важливих органів, більш менш однакові, але людський мозок знаходиться в окремій лізі.

Також дуже важко вчитися; Там відбувається так багато всього в таких дрібних масштабах, що ми не можемо зрозуміти синаптичні схеми в деталях.

Кожен людський мозок містить мільярди нейронів, що посилають сигнали туди й назад через трильйони синапсів – командний центр, з якого керується людське тіло.

Нейрон та аксони
Один нейрон (білий) та всі аксони інших нейронів, які до нього підключаються. (Зелений = збуджуючі аксони; синій = гальмівні аксони). ( Google Research & Lichtman Lab / Гарвардський університет. Рендерінг Д. Бергера / Гарвардський університет )

Глибокіше розуміння того, як працює цей неймовірно складний орган, могло б принести величезну користь нашим дослідженням функцій мозку та порушень — від травм до психічних захворювань та деменції.

З цією метою Ліхтман та його колеги працюють над тим, що вони називають «коннектомом» — картою мозку та всіх його зв'язків, яка могла б допомогти краще зрозуміти, коли цей зв'язок викривлений.

Поточна мета проекту коннектоміки – відтворення всього мозку миші, але використання аналогічних методів для реконструкції хоча б сегментів людського мозку може лише прискорити наші знання.

Розподіл клітин, кровоносних судин та мієліну у зразку. ( Шапсон-Коу та ін., Science , 2024 р. )

Реконструкція команди була заснована на зразку людського мозку, видаленому у пацієнта з епілепсією під час операції доступу до основного ураження. Зразок був зафіксований, забарвлений важкими металами для підкреслення деталей, залитий смолою та розділений на 5019 зрізів середньою товщиною 33,9 нанометрів, зібраних на стрічці.

Дослідники використовували високопродуктивну послідовну електронну мікроскопію, щоб отримати зображення цього крихітного шматочка тканини з приголомшливими деталями, отримавши 1,4 петабайт (1400 терабайт) даних.

Фотографії нейронів на чорному.
Розподіл синапсів. A: Об'ємна щільність збудливих синапсів. Б: Об'ємна густина гальмівних синапсів. C: Відсоток збудливих синапсів у різних шарах (найнижчі значення – фіолетові, найвищі – жовті). D: Типовий пірамідний нейрон, показані збуджуючі (помаранчеві) та гальмівні (сині) синапси. E: Репрезентативний інтернейрон . ( Шапсон-Коу та ін., Science , 2024 р. )

Ці дані були проаналізовані за допомогою спеціально розроблених методів та алгоритмів, внаслідок чого, за словами дослідників, було створено «3D-реконструкцію майже кожної клітини та процесу у вирівняному обсязі».

Ця реконструкція, названа H01 вже розкрила деякі раніше невидимі деталі людського мозку. Команда була здивована, відзначивши, що кількість гліальних або ненейрональних клітин перевищувала нейрони у зразку у співвідношенні 2:1, а найбільш поширеним типом клітин були олігодендроцити – клітини, які допомагають покривати аксони захисним мієліном.

У кожного нейрона були тисячі відносно слабких зв'язків, але дослідники виявили рідкісні потужні набори аксонів, з'єднаних 50 синапсами. І вони виявили, що невелика кількість аксонів утворюють незвичайні великі завитки.

Один із загадкових завитків аксонів. ( Шапсон-Коу та ін., Science , 2024 р. )

Оскільки зразок був взятий у пацієнта з епілепсією, неясно, чи це нормальні, але рідкісні особливості людського мозку або пов'язані з розладом пацієнта. У будь-якому випадку, робота виявила величезну широту та глибину прірви у нашому розумінні мозку.

Наступний крок у роботі команди передбачає спробу зрозуміти формування гіпокампу миші — області мозку, яка бере активну участь у навчанні та пам'яті.

"Якщо ми дійдемо до того, що дослідження всього мозку миші стане рутиною, можна буде подумати про те, щоб зробити це, скажімо, на тваринних моделях аутизму", - пояснив Ліхтман The Harvard Gazette .

«Існує такий рівень розуміння мозку, якого нині не існує. Ми знаємо про зовнішні прояви поведінки. Ми знаємо про деякі молекули, які обурені. Але між схемами з'єднань досі не було жодного способу побачити їх. Тепер є спосіб».

Фото: Science