Карта мозга: Карта человеческого мозга. Часть 1.

Атлас мозга с микронным разрешением появился в открытом доступе

Американские ученые составили полный атлас человеческого
мозга, имеющий самое высокое разрешение на сегодняшний день. Его интерактивная
электронная версия доступна на соответствующем ресурсе, а печатная заняла весь
текущий выпуск Journal of Comparative Neurology.

Детальное описание анатомической и микроскопической
структуры мозга необходимо для понимания его развития, функций и заболеваний. Однако
имеющиеся атласы человеческого мозга гораздо менее подробны (в плане как полноты,
так и разрешения), чем атласы мозга червей, мух или птиц. Причина этого
заключается в технических ограничениях, вызванных размером и сложностью
устройства мозга человека.

Для создания своего атласа сотрудники Алленовского института
исследований мозга применили ряд лучевых и гистологических методик
визуализации. На первом этапе работы они провели магнитно-резонансную и
диффузионно-тензорную томографии цельного мозга, извлеченного при вскрытии
34-летней женщины. После этого из мозга приготовили микросрезы целых полушарий
и провели их микроскопию по веществу Ниссля и с иммуногистохимическим
окрашиванием, для чего ученым пришлось разработать специальный сканер. В итоге получилось
1356 крупноформатных изображений с разрешением в микрометр на пиксель, что
соответствует размерам одной клетки. Использование одного и того же мозга позволило
интегрировать полученные при томографии и микроскопии данные в целостный источник
информации.

Allen Human Brain Reference Atlas содержит информацию о 862 отделах
мозга, в том числе 117 пучках белого вещества и нескольких структурах, не выделенных
ранее. Описание новой коры (неокортекса) проведено по отдельным извилинам, бороздам
и модифицированным цитоархитектоническим полям Бродмана. Оно позволяет связать анатомические
и клеточные особенности этих структур.

Интерактивный цифровой атлас также интегрирован с созданным
в Алленовском институте ранее атласом экспрессии генов в мозге.

«Атлас представляет собой отход от классических изданий в
плане формата публикации. На сегодняшний день он один совмещает строгость
рецензируемой научной публикации с представлением в форме книги и
общедоступного интерактивного онлайн-ресурса», — заявил участник проекта и
главный редактор Journal of Comparative Neurology Патрик Хоф (Patrick Hof).

Allen Human Brain Reference Atlas предназначен для
неврологов, нейробиологов, ученых других специальностей и просто любителей
науки. Авторы планируют дополнить его картами мозга, полученными в ходе
функциональных и цитологических исследований. Такими дополнениями могут
послужить, например, детальная карта функциональных участков коры мозга,
полученная с применением машинного обучения, и карта семантического словаря
мозга, составленная с помощью функциональной МРТ.

Недавно японским ученым впервые удалось создать полную
модель нейрональных связей (коннектома) одного полушария мозга плодовой мухи
дрозофилы.

Олег Лищук

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Создана самая подробная карта связей в мозге: какие нестыковки нашли ученые

Анастасия
Никифорова

Новостной редактор

Анастасия
Никифорова

Новостной редактор

Исследователи разработали самую подробную карту человеческого мозга из когда-либо созданных. Особое внимание уделили коммуникационным связям в гиппокампе. «Хайтек» рассказывает главное.

Читайте «Хайтек» в

Австралийские ученые сделали самую подробную карту коммуникационных связей между гиппокампом — центром управления памятью — и остальной частью мозга. Это изменит представления биологов о человеческой памяти. Результаты исследования опубликованы в журнале eLife.

Как работает гиппокамп?

Гиппокамп — часть мозга, которая отвечает за память, особенно за долговременную и кратковременную. Также он важен для работы пространственной памяти, который помогает запоминать местоположение человека в пространстве.

Гиппокамп находится в височной доле. Это важнейшая часть мозга, отвечающая не только за хранение воспоминаний, но и за их формирование. Собственно, височная доля и «отвечает» за личность человека, то, каким он будет. Гиппокамп также переводит воспоминания из краткосрочного в долгосрочное хранилище в головном мозге.

Поперечное сечение человеческого мозга, показывающее гиппокамп. Иллюстрация: Маршалл Далтон/ Сиднейский университет

Также гиппокамп помогает человеку в создании мысленных образов.

Что сделали ученые?

В рамках нового исследования австралийские ученые создали очень подробную карту путей белого вещества, которые и соединяют гиппокамп с остальной частью мозга. По сути, это дорожная карта областей мозга, которые напрямую связаны с гиппокампом и поддерживают его работу по формированию памяти.

Белое вещество (лат. substantia alba) — компонент центральной нервной системы позвоночных животных, состоящий главным образом из пучков аксонов, покрытых миелином. Противопоставляется серому веществу мозга, состоящему из клеточных тел-нейронов.

Создание карты

Для создания карты исследовательская группа использовала МРТ-сканы из базы данных нейровизуализаций, созданных для проекта Human Connectome Project (HCP).

Human Connectome Project — это пятилетний проект, который спонсируется Национальными институтами здравоохранения. Согласно презентации, он «решает одну из величайших научных задач XXI век века: составляет карту человеческого мозга, стремясь связать его структуру с функциями и поведением».

Графика, показывающая процесс картирования гиппокампа. Фото: Маршалл Далтон/ Сиднейский университет

Исследователи обработали данные HCP. Специальная методика помогла ученым проследить связи из всех частей человеческого мозга, которые ведут к конечным точкам внутри гиппокампа. Как объясняют участники проекта, биологи «подробно изучили пути белого вещества, которые, по сути, являются коммуникационными путями между различными областями мозга».

Также ученые сами разработали подход, который помог очень подробно картрировать то, как гиппокамп соединяется с корковой мантией, внешним слоем мозга. Раньше исследователи могли только представить себе связи в гиппокампе из-за технических ограничений.

Результаты исследования

Ученые обнаружили, что большинство результатов согласуются с данными прошлых исследований, которые основывались на посмертных исследованиях мозга приматов. Однако есть и ключевые различия. Так, количество связей между гиппокампом и некоторыми частями мозга было либо больше, либо меньше, чем предполагали ученые.

Например, между гиппокампом и лобными областями коры оказалось меньше связей, чем ожидалось, а в областях обработки зрительной информации — больше.

Изображение «схемы подключения» человеческого мозга, показывающей связи с гиппокампом.
Фото: Маршалл Далтон/ Сиднейский университет 

Ученые объяснили эту «нестыковку». Либо все дело в отличиях мозга человека от других приматов, либо в ограничениях техники МРТ-сканирования. Однако ученые все равно удивились. Одна из теорий состоит в том, что гиппокамп играет важную роль не только в работе памяти, но и в воображении, а также способности создавать мысленные образы.

Что дальше?

Кроме того, что создание такой карты — сам по себе впечатляющий проект, она пригодится и на практике. Например, в будущей диагностике дегенеративных заболеваний, влияющих на память, таких как болезнь Альцгеймера. Это наиболее распространенный тип деменции. Согласно данным Центров по контролю заболеваний, число людей, живущих с этим диагнозом, удваивается каждые 5 лет. Так, по прогнозам, к 2060 году это число почти утроится и достигнет 14 млн человек. Тем не менее, специфического лечения так и нет.

Читать далее:

Названы последствия утечки газа из «Северного потока»

Массивный удар космического объекта запустил магнитное поле Земли

Названа главная опасность храпа: ученые рассказали, как это влияет на мозг

Обзор — brain-map.org

Алленовский институт изучения мозга был основан в 2003 году с целью ускорения исследований в области неврологии во всем мире путем выпуска крупномасштабных общедоступных атласов мозга. Наши исследовательские группы продолжают исследовать внутреннюю работу мозга, чтобы понять его компоненты и то, как они объединяются, чтобы управлять поведением и делать нас теми, кто мы есть.

Одним из наших основных принципов является открытая наука: мы публично делимся всеми данными, продуктами и результатами нашей работы. Здесь, на brain-map.org, вы найдете наши открытые данные, инструменты анализа, лабораторные ресурсы и информацию о наших собственных исследованиях, в которых также используются эти общедоступные ресурсы. Потенциальное использование ресурсов Allen Institute for Brain Science, самих по себе или в сочетании с вашими собственными данными, безгранично.

Прочтите ниже, чтобы узнать о наших основных наборах данных и инструментах, чтобы определить, какие из них лучше всего подходят для ваших нужд. Если вам нужна помощь, ознакомьтесь с документацией на каждой странице набора данных или посетите наш форум сообщества. Заинтересованы в обучении с помощью наших открытых данных, инструментов анализа и других ресурсов? Начните работу с нашими ресурсами для преподавателей.

Атласы мозга Аллена фиксируют закономерности экспрессии генов в мозге у различных видов. Узнайте больше и прочтите публикации на странице Transcriptional Landscape of the Brain Explore. Примеры использования атласов включают изучение экспрессии генов и паттернов совместной экспрессии, экспрессию в сетях, изменения на разных стадиях развития, сравнение между видами и многое другое.

Атлас мозга мыши Allen

Атлас мозга мыши Allen представляет собой полногеномную трехмерную карту экспрессии генов во всем мозге взрослой мыши. Атлас включает в себя изображения гибридизации in situ с клеточным разрешением с полным анатомическим охватом, которые показывают, где экспрессируется каждый ген в мозге мыши, а также интегрированный набор мощных инструментов поиска данных, инструментов визуализации и аннотированный справочный атлас.

Allen Human Brain Atlas

Allen Human Brain Atlas — это уникальный мультимодальный атлас, отображающий экспрессию генов в мозге здорового человека. Основные функции включают исследование микрочипа РНК «все гены, все структуры», которое пространственно сопоставлено с эталонным пространством МРТ, данных гибридизации in situ с клеточным разрешением для выбранных генов в целевых областях мозга и аннотированный справочник атласа мозга человека. Дополнительные данные об отдельных неврологических состояниях доступны в базе данных Aging, Dementia, TBI Study и Ivy Glioblastoma.

Атлас мозга развивающейся мыши Allen

Атлас мозга развивающейся мыши Allen представляет собой подробную карту изменений экспрессии генов во время развития мозга. Атлас предоставляет основу для изучения того, когда и где гены активируются в мозгу мыши от эмбриона до взрослой жизни. Обработка данных информатики обеспечивает как пространственный поиск, так и временной поиск. Справочные атласы развития предоставляют дополнительный контекст для интерпретации данных. Анатомический и временной поиск находит повышенную экспрессию генов в основных областях мозга, а ручное аннотирование данных позволяет пользователям просматривать тщательно отобранные сводки экспрессии генов в небольших структурах.

Видеоурок

Атлас спинного мозга мыши Allen

Атлас спинного мозга мыши Allen представляет собой исчерпывающую полногеномную карту экспрессии генов в спинном мозге здоровой мыши в возрасте p56 и p4. Этот ресурс подробно описывает разнообразие генов в нормальном спинном мозге и обеспечивает важную основу для понимания того, как спинной мозг может быть изменен при заболевании или травме. Атлас включает основанные на изображениях данные гибридизации in situ с клеточным разрешением для ювенильной (P4) и взрослой (P56) стадий с анатомическим охватом по всей длине спинного мозга и сопровождающими гистологическими эталонными изображениями.

Атлас развивающегося человеческого мозга BrainSpan

Атлас развивающегося человеческого мозга BrainSpan предоставляет широкий и подробный анатомический анализ экспрессии генов на нескольких стадиях раннего развития человеческого мозга. Он включает данные гибридизации in situ , секвенирования РНК и микрочипов, а также вспомогательные нейроанатомические справочные материалы.

Видеоруководство

NIH Blueprint Nonhuman Primate Atlas

Атлас нечеловеческих приматов NIH представляет собой нейроанатомическую основу для изучения клеточной и молекулярной архитектуры развивающегося постнатального мозга макаки-резус.

Наши исследователи работают над определением «списка частей» мозга путем каталогизации различных типов нейронов и других клеток мозга человека и мыши. Исследовательские группы изучают детализированные формы клеток мозга, их электрические свойства и набор генов, которые каждая отдельная клетка включает и выключает, — все различные свойства, которые могут определять отдельный тип клеток мозга. Примеры использования ресурсов базы данных Allen Cell Types Database включают изучение паттернов экспрессии генов в разных типах клеток, областях мозга и видах; сравнение типов клеток по транскриптомным, электрофизиологическим и морфологическим профилям; определение типов клеток и таксономии; и сопоставление данных с определенными типами ячеек. Узнайте больше на странице изучения таксономий ячеек.

База данных типов клеток Allen

База данных типов клеток Allen содержит мультимодальные характеристики клеток коры головного мозга взрослых людей и мышей. Основные функции включают транскриптомику отдельных клеток, записи пэтч-клэмп целых клеток, изображения заполненных биоцитином нейронов с полными трехмерными цифровыми реконструкциями выбранных клеток и данные Patch-seq, объединяющие все три модальности для подмножества клеток. Также включены классификации типов клеток, основанные на транскриптомных, электрофизиологических и/или морфологических свойствах, а также инструменты вычислительного анализа. Также доступны дополнительные данные о синаптической физиологии и клеточных взаимодействиях.

Видеоруководство: транскриптомика Видеоруководство: Patch-seq Видеоруководство: синаптическая физиология

BICCN

Институт исследований мозга им. Аллена является организационным центром инициативы NIH BRAIN Cell Census Network (BICCN). Целью сети является координация генерации данных, анализа и ресурсов, чтобы предоставить исследовательскому сообществу всеобъемлющую справочную информацию о типах клеток в мозге человека, мыши и приматов, отличных от человека. Институт наук о мозге Аллена предоставляет данные о характеристиках типов клеток, связанные с базой данных типов клеток Аллена; выполняет роль Центра данных клеток мозга (BCDC) для координации рабочих групп консорциума, стандартов и инфраструктуры; и содержит веб-портал и перечень данных, подготовленных BICCN, с возможностью поиска.

BICCN.org

Чтобы понять мозг, нам нужно понять не только его строительные блоки, клетки, но и то, как эти строительные блоки сочетаются друг с другом и взаимодействуют друг с другом. Примеры использования включают изучение нейронных связей в масштабах от всего мозга до субклеточного и определение паттернов проекции по типу клеток. Узнайте больше о нашем исследовании на странице Connectivity Explore.

База данных подключения мозга Allen Mouse

Атлас связности мозга мыши Аллена представляет собой карту нейронных проекций в мозге мыши с высоким разрешением. Созданный с использованием трансгенных мышей, генетически сконструированных для нацеливания на выбранные подмножества нейронов, атлас представляет собой исчерпывающую «схему подключения» мозга. Основные функции включают проекционные пути в общей системе координат с возможностью навигации и гистологические эталонные изображения.

Программа MICRONS

Программа MICrONS включает крупномасштабную электронную микроскопию для исследования связности кортикальных цепей и клеточной морфологии мозга мыши, а также включает в себя инструменты функциональной визуализации и вычислительные инструменты. Программа стремится произвести революцию в машинном обучении путем обратного проектирования алгоритмов мозга с целью предоставления информации о вычислительных принципах, лежащих в основе функции коры головного мозга.

Видеоурок

Обсерватория мозга Аллена включает в себя первые стандартизированные исследования физиологической активности мозга мышей in vivo. Систематические эксперименты с контролируемым качеством проводились на мышах, пассивно рассматривающих различные визуальные стимулы, или, начиная с 2021 года, на мышах, выполняющих задачу обнаружения визуальных изменений. Ключевые особенности включают кальциевые реакции от нескольких зрительных областей коры на сотнях сеансов двухфотонной визуализации и пиковую активность зрительной коры, гиппокампа и таламуса на десятках сеансов электрофизиологии. Доступ к модулям данных и расширенного анализа можно получить через AllenSDK. Варианты использования включают изучение того, как визуальные сигналы представлены в мозге, как сигналы передаются между областями мозга, роль различных областей и типов клеток в визуальном кодировании и гибкость шаблонов кодирования.

Видеоруководство: Визуальное кодирование, двухфотонная визуализация Видеоруководство: Визуальное кодирование, нейропиксели

В дополнение к нашим общедоступным наборам данных мы также выпускаем все программное обеспечение и инструменты, использованные при разработке карты мозга Аллена.

Toolkit

Ресурсы Toolkit включают программный доступ к данным Allen Institute, инструментам и коду анализа, лабораторным ресурсам и другим продуктам для внедрения ресурсов Allen Brain Map в вашу работу.

AllenAPI предоставляет сообществу вычислительной нейробиологии скрытый программный доступ к некоторым обширным наборам данных Института Аллена. API содержит инструменты для доступа к изображениям с высоким разрешением, трехмерным сводкам по экспрессии генов, микрочипам и данным секвенирования РНК, а также другим функциям ресурсов Института.

AllenSDK содержит набор программных библиотек Python, которые взаимодействуют с AllenAPI и позволяют пользователям получать вычислительный доступ и анализировать выбранные данные. Allen SDK поддерживает Allen Brain Observatory, Allen Cell Types Database, Allen Mouse Brain Connectivity Atlas и наши инструменты биофизического моделирования. Дополнительные программные инструменты доступны на сайте Allen Institute GitHub.

Лабораторные ресурсы включают линии трансгенных мышей, доступные в лабораториях Джексона, инструменты для отслеживания вирусов, доступные в Addgene, и схемы для воспроизведения индивидуальных экспериментальных установок Института Аллена.

Средства моделирования

Институт Аллена разрабатывает биологически реалистичные модели зрительной коры мыши, модели одиночных нейронов коры головного мозга мыши и человека, а также инструменты моделирования на основе наших собственных данных о нейронах. Эти модели и инструменты моделирования можно подключать к дополнительным наборам данных, использовать для разработки новых моделей на основе данных Института Аллена и оценки производительности модели. Загрузите инструменты моделирования для Brain Modeling Toolkit, формат данных SONATA для моделей мозга и многое другое.

Видеоруководство

BigBrain: самая точная карта мозга 🧠

Сегодня может показаться смешным, что такой великий философ, как Аристотель, считал, что сердце является вместилищем мысли и разума, а мозг — просто радиатором для охладить кровь. Правда в том, что не все его современники были так заблуждались, и к тому времени другие поняли решающую роль мозга во многом из того, что отличает нас как людей. Сегодня, в то время, которое некоторые ученые назвали веком мозга, мы приближаемся к самым точным знаниям, которые у нас когда-либо были о нашем управляющем органе, настолько, что мы можем даже визуализировать их в Интернете с уровнем детализации. цифровая карта.

Мозг изучался с античных времен, но наше понимание его было грубым; только в 16 веке бельгийский анатом Везалий правильно понял, что его функции сосредоточены в массе головного мозга, а не в желудочках или заполненных жидкостью полостях, как считалось до сих пор. В 19 веке работы Поля Брока и Карла Вернике начали назначать определенные области мозга определенным функциям, а в начале 20 века нейроанатомы, такие как Сантьяго Рамон-и-Кахаль, начали раскрывать тонкое переплетение нейронов и их различные типы. В 1909 октября немецкий невролог Корбиниан Бродманн опубликовал первую полную карту областей коры головного мозга, основанную на организации ее клеточной архитектуры.

На протяжении 20-го века внедрение новых методов нейровизуализации и достижения в области вычислительной техники привели к впечатляющему скачку в области картирования мозга. Примером этого является атлас, опубликованный в 2013 году проектом BigBrain по инициативе Монреальского неврологического института и немецкого исследовательского центра Forschungszentrum Jülich. В качестве источника исследователи использовали здоровый мозг женщины, умершей в возрасте 65 лет. Сначала орган был просканирован с помощью магнитно-резонансной томографии, а затем с использованием микротома разделен на 7404 среза толщиной 20 микрон каждый. После того, как все срезы были окрашены и оцифрованы с высоким разрешением с помощью оптического сканера, компьютерная система отвечала за цифровую реконструкцию.

Результатом пятилетней работы стала 3D-карта с разрешением 20 микрон. Для сравнения, это разрешение в 50 раз выше, чем у других проектов по картированию мозга, таких как Allen Brain Atlas, проект, продвигаемый соучредителем Microsoft Полом Алленом, который имеет разрешение 1 миллиметр. Атлас BigBrain доступен в Интернете, в свободном доступе для любого пользователя, а уровень масштабирования, который он предлагает, позволяет увидеть отдельные нейроны.

Проект Big Brain воссоздал мозг в 3D с такой точностью, что вы можете увеличить отдельные нейроны. Изображение: BigBrain

BigBrain и Allen Brain Atlas — это лишь две из нескольких инициатив, которые занимаются картированием мозга с использованием различных методов и уровней сложности и детализации. В рамках проекта Human Connectome Project, финансируемого Национальным институтом здравоохранения США (NIH), были собраны данные нейровизуализации мозга 1200 человек для создания коннектома, большой карты связей, магистралей, по которым проходят мозговые процессы.