Повністю змодельовано шматочок мозку миші

Елісон Еббот

Шість років можуть здаватися тривалим терміном, щоб скласти докупи шматочок тканини розміром з вістря голки. Але саме стільки часу знадобилось команді дослідників на чолі з клітинним біологом Джефом Ліхтманом з Гарвардського університету, щоб здійснити цифрову реконструкцію маленької ділянки мозку миші з усіма її нервовими з’єднаннями.

Трьохвимірна модель ділянки мозку – плід роботи вчених – є першою повною комп’ютерною візуалізацією тканини нової кори ссавця. Нова кора – це ділянка мозку, яка останньою появилась в процесі еволюції та відповідає за вищі нервові функції (зокрема, за мислення і мову у людей).

Розмір змодельованої частки становить всього-на-всього 1500 кубічних мікронів. На перший погляд, здається, що до аналогічної реконструкції людського мозку з його понад 100 млрд. нервових клітин та з'єднань між ними – непрохідна дистанція. А втім, як стверджує президент Інституту досліджень головного мозку ім. П. Аллена у Сієтлі Крістоф Кох, технології, які використали у цьому експерименті, стрімко вдосконаляться протягом наступного десятиліття. «Я б назвав це дослідження обіцяючим авансом», – заявив Кох.

Команда Літмана уже ставить перед собою амбітніші цілі – реконструювати кубічний міліметр нової кори гризуна. Дослідники працюватимуть над цим завданням у рамках консорціуму, до якого увійшли вчені із Гарварського університету та Массачуссетського технологічного інституту й отримав попереднє схвалення на фінансування від американської урядової агенції IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity – «Агентство з перспективних досліджень розвідувального відомства»). Метою консорціуму є не лише створення анатомічної мапи цієї ділянки мозку, але й дослідження того, як вона обробляє інформацію в процесі навчання тварини.

Нова кора є предметом особливого зацікавлення неврологів, адже вона набагато більше розвинена у людей, ніж в інших ссавців. Як і з іншими частинами мозку, її функції обумовлені тим, як окремі нейрони під’єднані один до одного через синапси. Синапси – це мініатюрні структури, що проводять електричні й хімічні сигнали між нейронами. Це – мініатюрні структури, які можна побачити лише в електронний мікроскоп. Більшість синапсів простягаються між пальцеподібними дендритами, які розгалужуються по різні боки нейрона, та довгими й тонкими аксонами, що сполучають нейрони та проводять нервові імпульси.

Така детальна реконструкція частки нової кори потребувала кількаходової процедури. Спочатку вчені нарізали її алмазним лезом на декілька тисяч тонких секцій. Згодом їх відсканували за допомогою електронного мікроскопа, який був настільки потужний, що був здатний помітити навіть сигналізуючі молекули – нейротрансміттери – у синапсах. Наступним кроком було розташувати отримані знімки у такий спосіб, щоб частки кожної клітини співпадали у суміжних секціях. Для цього створили спеціальну комп’ютерну програму, яка надала кожній клітині окремий колір, а згодом з’єднала їх за кольорами у комп’ютернй моделі.

Окрім прикладного значення – першого кроку на шляху до створення моделі людського мозку – дослідження пролило світло на фундаментальну властивість нервової тканини, яку вже спостерігали на прикладі сітківки ока та гіпокампу: нейрони не формують між собою синапсів лише на підставі фізичної близькості одне до одного. Можливо, причини цього відкриє детальніше дослідження молекулярних коспонентів кожного синапсу, – стверджує невролог Сет Ґрант з Единбурзького університету.

Зараз команда Ліхтмана працює над реконструкцією кортикальної тканини аналогічного розміру мозку новонародженої миші. Їх мета – встановити, чи поведінка синапсів є аналогічною на ранніх стадіях розвитку організму. Крім того, вчені таким самим методом намагаються реконструювати невеликий шматочок людського мозку, який отримали під час хірургічної операції.

Крім того, що такі дослідження просувають уперед наше розуміння функціонування мозку, вони мають ще й неабияке значення у сфері комп’ютерних наук: на основі нервових зв’язків, відкритих у мозку, можна буде створити нове покоління комп’ютерних програм та роботів, які переноситимуть у штучний інтелект коди, відкриті у функціонуванні мозку.