Нейробиологи получили изображение одного кубического миллиметра мозга с точностью до каждой клетки

Исследователи Гарвардского университета и компании Google нанесли на карту 1 кубический миллиметр коры мозга человека. На полученном в результате эксперимента клеточном атласе отражены 57 000 нейронов и 150 миллионов синапсов. На нем видны неизвестные ранее связи между нейронами и другими клетками мозга.
Нейробиологи получили изображение одного кубического миллиметра мозга с точностью до каждой клетки
Изображение на основе данных электронного микроскопа, показывающее расположение нейронов во фрагменте коры головного мозга. Нейроны окрашены в соответствии с размером. Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University)
Объем атласа, описывающего 1 кубический миллиметр мозга, — 1,4 петабайта или 1 400 000 000 000 000 байт.
Весь мозг в миллион раз больше.
Значит полное описание займет не меньше 1,4 зеттабайта или 1 400 000 000 000 000 000 000 байт. На самом деле полный атлас будет гораздо больше, потому что при картировании 1 миллиметра многие связи были просто оборваны. Интересно, как мы планируем разбираться в этой махине?

Исследователи Гарвардского университета и компании Google нанесли на карту 1 кубический миллиметр коры мозга человека. На полученном в результате эксперимента клеточном атласе, видны неизвестные связи между нейронами и другими клетками мозга.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

На трехмерной карте изображены все клетки одного кубического миллиметра коры мозга человека. Это только одна миллионная часть всего мозга. Атлас содержит примерно 57 000 клеток и 150 миллионов синапсов — связей между нейронами. Объем атласа 1,4 петабайта данных.

Срезы мозга

Один кубический миллиметр человеческого мозга, включая нейропиль (A) и его сегментацию (B) с нанометровым разрешением, аннотированные синапсы (C), возбуждающие нейроны (D), тормозящие нейроны (E), астроциты (F), олигодендроциты (G), миелин (H) и кровеносные сосуды (I). Также были выявлены ранее не признанный класс нейронов (J) и мультисинаптические связи (K).
Один кубический миллиметр человеческого мозга, включая нейропиль (A) и его сегментацию (B) с нанометровым разрешением, аннотированные синапсы (C), возбуждающие нейроны (D), тормозящие нейроны (E), астроциты (F), олигодендроциты (G), миелин (H) и кровеносные сосуды (I). Также были выявлены ранее не признанный класс нейронов (J) и мультисинаптические связи (K).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4858

Фрагмент мозга был взят у 45-летней женщины, когда она перенесла операцию по лечению эпилепсии. Фрагмент получен из коры головного мозга, той части мозга, которая отвечает за обучение, решении задач и обработку сенсорных сигналов.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Образец был погружен в консерванты и окрашен тяжелыми металлами, чтобы клетки было легче распознать. Нейробиолог Джефф Лихтман из Гарвардского университета и его коллеги разрезали образец примерно на 5000 пластинок толщиной 34 нанометра. Эти срезы уже можно визуализировать с помощью электронных микроскопов.

Затем команда Вирена Джайна, нейробиолога из Google создала модели искусственного интеллекта, которые смогли соединить изображения, полученные микроскопом, и реконструировать весь образец в 3D.

Детально изучив модель, исследователи обнаружили странные нейроны, в том числе такие, которые образуют до 50 связей друг с другом. «В общем-то, между двумя нейронами обычно можно найти максимум пару связей», — говорит Джайн. В другом месте модель показала нейроны с усиками, которые образовывали узлы и замыкались на себя. «Никто раньше не видел ничего подобного», — добавляет Джайн.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Команда также обнаружила пары нейронов, которые были почти идеальными зеркальными отражениями друг друга. Неясно, какую роль эти функции играют в мозге.

Требуются нейрокорректоры

Один нейрон (белый) с 5 600 аксонами (синий), которые к нему подключаются. Синапсы, обеспечивающие эти связи, показаны зеленым цветом.
Один нейрон (белый) с 5 600 аксонами (синий), которые к нему подключаются. Синапсы, обеспечивающие эти связи, показаны зеленым цветом.
Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University)

Атлас настолько велик, что большую его часть еще предстоит проверить вручную, и он все еще может содержать ошибки, возникшие в процессе сшивания такого большого количества изображений. «Сотни ячеек были "вычитаны", но это, очевидно, лишь несколько процентов из 50 000», — говорит Джайн. Он надеется, что другие нейробиологи помогут вычитать интересующие их части атласа. Команда планирует создать аналогичные атласы образцов мозга других людей, но атлас всего мозга вряд ли появится в ближайшие несколько десятилетий.

Более глубокое представление коры головного мозга, может подсказать, как лечить некоторые психиатрические и нейродегенеративные заболевания. «Эта карта предоставляет беспрецедентные детали, которые могут раскрыть новые правила нейронных связей и помочь расшифровать внутреннюю работу человеческого мозга», — говорит Ёнсу Ким, нейробиолог из Университета штата Пенсильвания в Херши.