Унікальна тривимірна мапа мозку: Революція в дослідженні нейронних структур.

Дослідники розробили першу в історії детальну 3D-карту частини мозку, що дорівнює за розміром піщинці, з візуалізацією 84 тисяч нейронів і більше 500 мільйонів синапсів. Цей науковий прорив, що став результатом десятирічної співпраці інститутів Аллена, Бейлора і Принстона, відкриває нові можливості для дослідження функцій мозку та його захворювань.

Протягом багатьох століть людство намагалося розкрити загадки мозку, найскладнішої структури у Всесвіті. Нещодавнє відкриття міжнародної команди науковців стало величезним кроком вперед у цій галузі: використовуючи мікроскопічний зразок мозкової тканини миші об'ємом всього один кубічний міліметр, розміром із звичайну піщинку, вони змогли створити першу в історії надзвичайно детальну тривимірну карту ділянки мозку ссавця. Ця унікальна візуалізація не лише демонструє форму, а й функції та активність 84 000 окремих нейронів — складних клітин, що передають інформацію через свої довгі відростки, аксони, та взаємодіють один з одним через понад 500 мільйонів синапсів. Крім нейронів, у карті також представлені близько 200 000 інших типів мозкових клітин. Вражаюче, але в цьому крихітному шматочку тканини міститься приблизно 5,4 кілометра нейронних "проводів", що майже в півтора рази перевищує довжину Центрального парку в Нью-Йорку.

Ця величезна праця стала фіналом майже десятирічних наукових досліджень, до яких було залучено 150 спеціалістів з 22 провідних наукових установ світу. Важливу роль у проєкті, що отримав назву MICrONS (Machine Intelligence from Cortical Networks — Машинний інтелект з кортикальних мереж), відіграли Інститут Аллена, що спеціалізується на вивченні мозку, Медичний коледж Бейлора та Прінстонський університет.

"Побічним продуктом усього цього проєкту стало усвідомлення того, наскільки неймовірно красивим є мозок", -- зазначив доктор Форрест Коллман, заступник директора з даних та технологій в Інституті Аллена, у відео, поширеному організацією. "Просто дивлячись на ці нейрони, ви бачите їхню деталізацію та масштаб таким чином, що починаєте цінувати мозок із почуттям благоговіння, подібним до того, яке виникає, коли ви дивитеся, скажімо, на зображення далекої галактики", -- додав він.

Хоча створена вражаюча карта охоплює лише 1/500 частину повного об'єму мозку миші, обсяг зібраних даних вражає — 1,6 петабайта. Ця величезна цифра дорівнює безперервному перегляду відеоматеріалів високої чіткості протягом 22 років. Важливо зазначити, що команда проєкту MICrONS зробила ці цінні дані доступними для науковців, що відкриває можливості для дослідників з усього світу для їх використання в нових дослідженнях. Деталі проєкту були викладені в ряді наукових статей, опублікованих 9 квітня в авторитетному журналі Nature.

Процес створення карти був надзвичайно складним та багатоетапним. Спочатку науковці з Медичного коледжу Бейлора в Х'юстоні використали спеціалізовані мікроскопи для запису активності мозку в ділянці об'ємом 1 кубічний міліметр у зоровій корі лабораторної миші -- області, де тварина обробляє візуальну інформацію. Цей процес тривав кілька днів. Дослідники переконалися, що миша була притомною та отримувала візуальну стимуляцію під час візуалізації: тварина бігла на біговій доріжці та переглядала 10-секундні уривки з різних фільмів, зокрема таких відомих стрічок, як "Матриця" та "Шалений Макс: Дорога гніву". Згідно з прес-релізом Прінстонського університету, до програми перегляду також входили YouTube-ролики з екстремальними видами спорту, такими як мотокрос, санний спорт та бейс-джампінг.

Після гуманної евтаназії миші дослідники з Інституту Аллена в Сіетлі перейшли до наступного етапу: вони взяли той самий кубічний міліметр мозку і надзвичайно акуратно розрізали його на понад 28 000 найтонших пластин. Кожна з цих пластинок мала товщину всього 1/400 від людського волосся. Під час процедури кожен зріз детально фотографувався за допомогою електронного мікроскопа. У результаті тисячі зображень були об'єднані в один тривимірний композитний образ. "Цей процес зайняв близько 12 днів і ночей, команда працювала безперервно, змінюючи одна одну; не через те, що ми різали вручну, а завдяки автоматизованій машині," - зазначив доктор Нуно Масаріко да Коста, асоційований дослідник в Інституті Аллена. "Ми мали бути присутніми, щоб зупинити процес у будь-який момент, якщо виникала загроза втрати кількох зрізів поспіль". Як пояснив да Коста, у такому разі довелося б починати все з початку, і він додав, що весь процес виявився дуже "стресовим".

На фінальному етапі дослідницька група з Прінстонського університету в Нью-Джерсі використала передові технології машинного навчання та штучного інтелекту. Алгоритми ШІ були навчені виявляти контури нейронів через тисячі зрізів, ідентифікуючи та кольоруючи їх окремо. Цей метод, що називається сегментацією, дозволив детально відобразити складну тривимірну структуру нейронної мережі. Важливо підкреслити, що дані, отримані завдяки ШІ, підлягають ретельній перевірці та корекції з боку дослідників — цей процес валідації досі триває.

Внаслідок цієї величезної роботи було створено цілісне уявлення про те, що вчені визначають як "конектом" мозкової області миші. Конектом представляє собою детальну схему нейронних з'єднань у мозку або його окремій частині. Отримана схема демонструє, як структуровані конкретні області мозку миші, а також надає інформацію про те, як різні типи клітин взаємодіють для обробки інформації.

"Конектом є стартом цифрової революції в дослідженні мозку", -- підкреслив доктор Себастьян Син, професор нейронауки та комп'ютерних наук у Прінстонському університеті. "Завдяки кільком натисканням клавіш ви можете швидко знаходити інформацію та отримувати результати за лічені секунди. Раніше для отримання частини такої інформації вимагалася б ціла докторська дисертація. Це ілюструє силу цифрової трансформації", -- додав він у своєму прес-релізі.

Раніше створення детальної карти мозку вважалося завданням, що практично неможливе. Відомий молекулярний біолог Френсіс Крік, лауреат Нобелівської премії за відкриття структури ДНК, колись висловлював сумніви щодо перспективи досягнення такого глибокого розуміння мозкових механізмів. "Немає сенсу вимагати неможливого, як, наприклад, точний план з'єднань в кубічному міліметрі мозкової тканини та спосіб активації всіх його нейронів", – зазначав він у журналі Scientific American у 1979 році. Проте сучасні досягнення в галузі мікроскопії, аналізу даних та штучного інтелекту спростували ці сумніви.

Конектом ділянки мозку миші є продовженням подібної роботи, виконаної раніше на значно менших організмах. Конектом круглого черв'яка C. elegans (з його лише 302 нейронами) був завершений у 2019 році, а повна карта нейронів мозку плодової мушки Drosophila melanogaster була представлена вченими у 2024 році. Проте, як зазначають дослідники, один кубічний міліметр мозку миші приблизно у 20 разів більший за весь мозок плодової мушки і має значно складнішу структуру. Попри це, наступною амбітною метою є створення повного конектома всього мозку миші в найближчому майбутньому.

"Я думаю, що зараз відповідь -- ні, це неможливо [картувати весь мозок миші на такому рівні деталізації], але я вважаю, що у всіх є дуже чіткі ідеї щодо того, як можна подолати ці бар'єри. Ми сподіваємося, що через три-чотири роки ми зможемо сказати: так, це можливо", -- сказав Коллман в інтерв'ю CNN.

Однак, за його словами, картографування конектома людського мозку з аналогічною синаптичною роздільною здатністю буде значно складнішим завданням. "Людський мозок приблизно в 1500 разів більший за мозок миші, і це створює цілу низку... технічних та етичних бар'єрів для цього", -- сказав він. Проте, як додав доктор Клей Рід, старший дослідник у галузі науки про мозок в Інституті Аллена, можливо, вдасться простежити шляхи аксонів по всьому людському мозку, навіть якщо не вдасться відтворити всі синаптичні зв'язки. "Перспектива реконструкції всього людського мозку на рівні всіх з'єднань -- це щось для далекого майбутнього".

Досліджена ділянка -- неокортекс -- є особливо цікавою для вивчення, оскільки саме ця область мозку найбільше відрізняє мозок ссавців від мозку інших хребетних, зазначають доктор Маріела Петкова, науковий співробітник, та доктор Грегор Шукнехт, постдокторант, обидва з кафедри молекулярної та клітинної біології Гарвардського університету, які не брали участі у створенні карти. "Дослідники зосередилися на цій області, оскільки вона загалом вважається центром вищих когнітивних функцій і відіграє ключову роль у сенсорному сприйнятті, обробці мови, плануванні та прийнятті рішень", -- написали вони у статті, опублікованій разом із дослідженням. "Примітно, що ці, здавалося б, різні функції забезпечуються єдиним базовим планом будови, який, з певними модифікаціями, можна знайти у всіх кортикальних областях та у всіх ссавців".

Лабораторні миші стали широко затвердженими модельними організмами для вивчення людських захворювань. Нова карта, що дає змогу глибше зрозуміти структуру та функції мозку миші, відкриває перспективи для дослідження таких розладів, як хвороба Альцгеймера, хвороба Паркінсона, аутизм і шизофренія. Ці захворювання пов'язані з порушеннями нейронних зв'язків і комунікації в мозку людини.

"Якщо у вас зламане радіо, і ви маєте його електричну схему, у вас буде більше шансів його полагодити", -- пояснює да Коста у прес-релізі. "Ми описуємо своєрідну Google-карту або креслення цієї піщинки [мозку]. У майбутньому ми зможемо використовувати це для порівняння структури зв'язків у мозку здорової миші зі структурою зв'язків у моделі захворювання". Це досягнення є не просто технічним тріумфом, а й фундаментальним кроком до глибшого розуміння самих себе.