На карте, названной BigBrain, показана организация нейронов с микроскопической точностью, благодаря которой возможно уточнить или даже пересмотреть структуру некоторых областей мозга.
"Качество этих карт аналогично точности картографов семнадцатого века", - рассказал Дэвид Ван Эссен, нейробиолог из Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Он уверен, что новый набор анатомических ориентиров позволит исследователям объединить знания о различных частях мозга (таких как экспрессия генов, нейроанатомия и нейронная активность).
Мозг состоит из гетерогенной сети нейронов различных размеров и форм (от треугольных до круглых), "упакованных" с разной степенью плотности. BigBrain показывает различия в распределении нейронов, которые, как полагают, связаны с функциями той или иной его области.
Карта составлена на основе 7400 срезов, каждый из которых тоньше человеческого волоса. Чтобы зафиксировать изображения всех частей мозга под микроскопом потребовалось 1000 часов, 1 триллион байт и суперкомпьютеры в Канаде и Германии, которые комбинировали изображения, создавая трехмерный объект. В результате были созданы карты разрешением в 20 мкм, что в 50 раз точнее, чем стандартное разрешение карт (1 мм), основанных на сканировании целого мозга.
Примечание : картинка слева не имеет непосредственного отношения к подготовке карты мозга, оригинальный процесс
"Эти карты дают возможность различать очень мелкие структурные и физиологические особенности", - рассказал соавтор исследования Алан Эванс, невропатолог из Монреальского неврологического института в Университете Макгилла.
Главный научный сотрудник Института исследований мозга Аллена в Сиэтле Кристоф Кох подтвердил, что "карты действительно очень высокого качества".
Институт Аллена использует собственный атлас человеческого мозга, который показывает структурные данные с более низким разрешения, чем в BigBrain, но включает в себя обширные аннотации и генетические карты.
Карта как отправная точка
BigBrain является частью Human Brain Project, 10-летнего европейского проекта стоимостью € 1 млрд по созданию компьютерной модели человеческого мозга. «Знание всех особенностей нейронных кластеров может помочь построить максимально реалистичную модель», - говорит ведущий автор Катрин Амунтс, нейробиолог из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе.
"Хотя атлас иллюстрирует данные мозга только одного человека, он послужит важной отправной точкой для интерпретации других данных в будущем", - отмечает Ван Эссен, который сравнивает BigBrain с первой иллюстрацией генома человека. "Я считаю, что по-настоящему точная карта мозга, – это очень важная информация, которая в скором времени станет нам доступна", - говорит он.
Компьютерный толчок
Когда проект BigBrain стартовал в 2003 году, передовые технологии могли позволить исследователям сканировать части человеческого мозга с разрешением в один микрон. Но такое высокое разрешение требовало порядка 20 000 триллионов байт. Даже для современных компьютеров это задачка не из простых.
Шон Хилл, исполнительный директор Международного фонда нейроинформатики в Стокгольме, заметил, что проблема обработки и анализа такого рода данных уже не первый раз наталкивается на несовершенство вычислительной техники, поэтому развитие информационных технологий автоматически приведет нас к ещё более удивительным открытиям.
Один из самых интересующих вопросов человечества для ученых всего мира, безусловно, остается вопрос возможностей нашего мозга. Именно ему уделяется все больше внимания, а для того, что бы разгадать тайны функционирования этого биологического «суперкомпьютера», затрачиваются миллионы долларов.
В связи с этим, исследователи из Калифорнийского университета смогли создать систему, которая позволяет в режиме реального времени посмотреть за тем как проходят мыслительные процессы в головном мозге человека при выполнении им различных действий. Более того, модель мозга будет в 3D, а стало быть, любой желающий сможет рассмотреть эти явления под всевозможными углами.
Модель является не только показушно-красочной, но и на удивление довольно подробной. Так, например, можно свободно рассмотреть все основные магистрали нервных тканей, которые соединяют основные функциональные части мозга друг с другом.
Сама трехмерная модель, соединена с математической моделью используя электроэнцефалографические датчики, которые передают данные о проходящих в мозгу процессах. Далее происходит процесс определения и обработки полученных данных, которыми потом наполняется статичная трехмерная модель мозга.
Увидеть всю эту картину можно будет с помощью планшетного компьютера iPad, установив специализированное приложение, которое и будет принимать данные результатов расчетов математических моделей. Визуализация и наполнение трехмерной картинки происходит с помощью окраски отдельных частей модели.
Так, каждый цвет соответствует своему диапазону частот мозговых волн, которых всего четыре: альфа-, бета-, тета- и гамма-волны, а золотое свечение отображает «пути» из нервных тканей и активных синапсов через которые и осуществляется передача мозговых волн в данный момент.
Пока что сложно сказать, как сильно поможет подобная модель в исследовании мозга, однако с усложнением и доработкой системы можно будет по иному взглянуть на довольно привычные вещи в данной сфере изучения.
02.12.2013 01.02.2018
Современные технологии серьёзно повлияли на давнее желание учёных в деталях изучить мозг человека.
Наиболее амбициозный проект стартовал в 2001 году, когда соучредитель компании Microsoft Пол Аллен основал в Сиэттле (США) .
П. Аллен подошёл к работе весьма основательно и не торопил учёных с исследованиями мозга человека. Первым проектом Института стал Allen Mouse Brain Atlas - атлас головного мозга мыши. Проект был начат в 2004 году и завершен за 2 года.
Была составлена подробнейшая база данных с комментариями о том, в каком участке мозга какие гены работают. Данные были представлены в виде фотографий классических срезов мозга, а также в виде цифрового трехмерного изображения.
Авторы проекта решили выложить все результаты в открытый доступ в Атласе brain-map , где любой желающий может найти информацию об экспрессии конкретного гена в конкретной зоне.
Все данные доступны для скачивания, а для опытных пользователей был разработан ряд программ, позволяющих проводить онлайн исследования.
Приобретенный опыт позволил Институту П. Аллена приступить к более масштабному проекту создания Атласа головного мозга человека.
Атлас был обнародован в мае 2010 г. и произвёл сенсацию в научном мире.. Это была первая комплексная трехмерная карта человеческго мозга.
Институт Пола Аллена создал также на YouTube свой образовательный канал , где размещены видеолекции и 3d- модели человеческого мозга.
Атлас помог расширить научные исследования во многих областях нейронауки.
Между тем, в некоторых странах появились аналогичные проекты.
Учёные крупнейшего в Германии исслледовательского центра Jülich Research Center разработали самую детализированную за всю историю 3D-модель человеческого мозга.
Для этого они взяли мозг 65-летней умершей женщины и тщательно его «нарезали» на 7400 сечений, каждое из которых тоньше человеческого волоса.
Сканирование всех слоёв заняло более тысячи часов, а получившиеся файлы заняли «весили» несколько терабайтов. После чего сверхмощные компьютеры несколько лет работали над сведением всей базы в единую 3D-модель. В общей сложности на проект уже было потрачено более десяти лет.
Но результат был впечатляющим: представлена модель человеческого мозга с высочайшим разрешением в 20 микрометров, что примерно в 50 раз более детализировано, чем обычное сканирование мозга. Этого вполне достаточно, чтобы увидеть нейроны с микроскопической детализацией.
Проект получил название BigBrain , который в свою очередь является лишь частью огромного общеевропейского проекта Human Brain Project , в который инвестировано более 1,3 млрд. долларов и конечной целью которого является полная симуляция человеческого мозга суперкомпьютером. Учёные планируют выложить все данные своей модели бесплатно в свободный доступ.