Мозг мыши и мозг ребёнка рассмотрены во всех подробностях

Хотя мы уже многое знаем про наш мозг, его внутренние соединения остаются во многом загадкой. Известно, из каких частей мозг состоит, что эти части делают, но вот как они соединены друг с другом, пока не вполне ясно. А ведь, знай мы рисунок соединений в мозге, могли бы многое понять о том, как в нём организуется информация, — многое, если не всё.

Однако единственным видом, для которого внутримозговые связи были обрисованы во всех деталях, остаётся червь нематода с его 302 нейронами. У человеческого мозга, напомним, их 100 миллиардов, так что можно представить себе, что называется, фронт работ. Не так давно нейробиологи решили взяться за мозг всерьёз: с 2011 года Алленовский институт мозга (США) регулярно публикует колоссальные массивы данных, касающихся внутреннего устройства мозга. Правда, стоит сказать, что в Алленовском институте занимаются не только человеческим мозгом, и в этом есть свой резон: зная, какой схеме следует, например, мозг мыши, мы можем понять некие общие для всех млекопитающих принципы нейронной архитектуры.

Новая статья, опубликованная в Nature, как раз описывает атлас мышиного мозга, созданный под руководством Хункуй Цзэн (Hongkui Zeng). Следует уточнить, что этот атлас показывает не зоны, а проводящие пути между ними — то есть это карта, грубо говоря, внутримозговых информационных шин. Совокупность связей в мозге (и вообще в нервной системе) называют коннектомом, по аналогии с геномом, транскриптомом и пр.; следовательно, и атлас можно назвать коннектомным.

Понятно, что для получения достоверной картинки исследователи должны были переработать огромное количество данных. Особенно если учесть, что разрешение атласа — менее одного микрометра, то есть для двух точек на расстоянии микрометра друг от друга мы можем точно сказать, есть ли между ними связь и если есть, то какая. Чтобы всё это «нарисовать», потребовалось 1 700 мышиных мозгов, каждый из которых разрезали на 140 последовательных частей. (Мыши при этом были не простые, а генетически модифицированные: с помощью специального вируса им вводили светящиеся белки, чтобы нейроны можно было различить по свечению.)

Конечный объём данных составил 1,8 Пб, что равнозначно почти 24 годам непрерывного HD-видео. Всё это объединили в трёхмерную карту, которую, как и прочие алленовские атласы, можно найти на сайте http://www.brain-map.org. Анализируя нейронные пути, принадлежащие разным функциональным блокам, исследователи сумели обнаружить ряд любопытных особенностей в организации информационных путей. Например, оказалось, что разные области мозга используют разные рисунки соединений, и некоего общего «типового кабеля» тут нет. Сила соединений может варьироваться пятикратно, но она уравновешивается количеством «проводов», то есть, например, между двумя участками может быть много слабых соединений или мало — но сильных.

Кроме этой работы, в том же Nature вышла ещё одна, в которой другая исследовательская группа Алленовского института описывает мозг во время эмбрионального развития, и мозг этот — человеческий. На руках у Эда Лейна (Ed Lein) и его коллег было четыре мозга неродившихся детей, каждый из которых нарезали на 3 000 слоёв. Часть слоёв анализировалась на предмет клеточного строения, а часть использовалась для молекулярно-генетических тестов. С помощью этих тестов в развивающемся мозге удалось увидеть активность 20 000 генов. А посредством анатомического анализа эту активность сопоставили с разными зонами мозга.

В данном случае учёные также пытались в первую очередь каталогизировать, систематизировать и картировать то, что удастся найти. Однако попутно они обратили внимание на некоторые особенности, которые касались, например, 34 генов, чья активность отличается у людей и приматов и чья деятельность особенно заметна в лобных долях коры. Как легко догадаться, благодаря этим генам, как считается, мы и отличаемся от обезьян. Кроме того, исследователи анализировали активность 78 генов, активность которых меняется при аутизме. Но, так или иначе, главным результатом работы стало создание структурно-генетической карты человеческого мозга, пусть и не вполне созревшего. И в дальнейшем эту карту предстоит уточнять и дополнять.

Подготовлено по материалам Алленовского института мозга (1 и 2). Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.