Дорога,
ведущая к пониманию природы человеческого мозга, длинна и трудна. И
одна из главных задач на этом пути — создание базы данных.
В
последние годы нейробиологи запустили сразу несколько амбициозных
проектов. Их главная цель — разобраться в принципах функционирования
нейронов, ведь именно благодаря этим клеткам мозга человек становится
человеком и обладает самосознанием. Так, в Великобритании Генри Маркрам
руководит проектом Human Brain Project стоимостью 1,3 миллиарда
долларов, в рамках которого ученые собираются построить компьютерную
модель человеческого мозга. В США исследователи пошли своим путем и
запустили проект BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative
Neurotechnologies — «Изучение мозга через продвижение инновационных
нейротехнологий»). Они надеются составить карту происходящих в мозге
процессов, в которые вовлечены 86 миллиардов нейронов.
В настоящее время главный участник проекта BRAIN — Институт наук о мозге им. Аллена приступил к созданию базы данных, в которую будет помещена информация о типах нейронов, что является первым шагом на пути к пониманию природы мозга. Таким образом, в рамках десятилетнего плана MindScope, принятого Институтом Аллена с целью изучения работы зрительной системы мыши, был сделан первый и очень важный шаг. На начальном этапе ученые занялись классификацией различных видов нейронов мыши по функциям.
«Главная цель состоит в том, чтобы понять, как работает мозг грызуна, — поясняет Лидиа Нг (Lydia Ng), отвечающая за технологии базы данных. — Клетки разных типов — это кирпичики, из которых состоит мозг. Поэтому обобщенная модель их расположения относительно друг друга поможет нам разобраться в процессах, протекающих в момент восприятия мозгом окружающего мира и порождения ответных действий, основанных на этом восприятии».
На первый взгляд база данных, создаваемая в Институте Аллена, довольно проста. В первом релизе БД обобщена информация об электрофизиологических процессах, протекающих в 240 нейронах (из сотен тысяч), расположенных в зрительной коре мозга: это информация об электрических импульсах, которые возбуждают нейрон и активируют нервные сигналы, порождающие восприятие и ответную реакцию. Но главная задача для понимания работы мозга как единого целого состоит в том, чтобы рассортировать эти клетки по более крупным категориям, создав, как в химии, нечто вроде периодической системы элементов.
Ученые уже довольно долго занимаются исследованием мозга человека. Несмотря на это, вся информация в основном представлена либо на макроуровне (в виде сканов, отображающих активность отдельных областей мозга), либо на микроуровне (информация об экспрессии нейромедиаторов и их рецепторов в отдельных нейронах). Однако связь между этими двумя уровнями остается неясной — то есть, не получен ответ на вопрос о том, как взаимодействующие между собой миллиарды нейронов запускают механизмы активации и поведения. Нейробиологи даже не имеют четкого представления о том, сколько существует разных типов нейронов; ответ на этот вопрос важен для понимания совместной работы этих клеток. «У нас по большому счету отсутствует фундаментальная информация, — говорит исполнительный директор проекта Аллан Джонс, — поэтому с самого начала мы сосредоточились на, так сказать, редукционистском подходе, то есть стали изучать целое по частям».
После того, как создание базы данных будет завершено, она первой в мире сможет собирать информацию об отдельных клетках по четырем ключевым параметрам: форма клетки, экспрессия гена, расположение в головном мозге, электрическая активность. Ученые из Института Аллена пока что научились отслеживать три из указанных параметра: с помощью светового микроскопа они делают снимки десятков электрически стимулируемых нейронов в высоком разрешении, тщательно отмечая их расположение в коре мозга мыши. «Первый важный вывод заключается в том, что число классов, [к которым относятся клетки], конечно. В общем, формально разбить клетки на классы мы сможем», — сообщил Джонс.
Затем Институт Аллена будет собирать данные по экспрессии генов в клетках, секвенируя их РНК. А потом, после обработки всех четырех параметров можно будет перейти к классифицированию типов клеток. Получившаяся в итоге система классификации поможет анатомам, физикам и неврологам эффективнее изучать нейроны и строить более точные модели функционирования коры головного мозга. Внимание следует уделить не только содержимому базы данных, но также способам ее наполнения и принципам измерения элементов, ее составляющих. В этом залог успеха будущих глобальных проектов по картированию мозга.
Чтобы создать единую модель мозга, нейробиологам придется собирать информацию с каждого нейрона несчетное число раз. Для начала ученым нужно будет фиксировать электрическую активность живых нейронов, прикрепив к ним крошечные пипетки, диаметр которых не превосходит нескольких микрон. Через пипетки к клеткам для их активации будет подводиться ток, а на выходе будет фиксироваться электрическая активность. Существует множество способов классификации этих параметров, и, чтобы понять работу нейронной системы как единого целого, нейробиологам следует использовать при сравнении электрической активности каждого отдельного нейрона один и тот же подход.
Институт Аллена в сотрудничестве с другими крупными центрами, которые занимаются исследованиями в области нейробиологии, — Калтехом, Нью-Йоркской медицинской школой, Медицинским институтом Говарда Хьюза в Беркли — договорился использовать единую методику измерения электрической активности всех нейронов, которые изучались до текущего момента (они назвали ее «Нейроданные без границ»). Вначале массивы данных по нейронам мыши были собраны только сотрудниками Института Аллена, однако выработка стандартизированной методики проведения экспериментов положительно скажется на всем проекте BRAIN. «Новые релизы базы данных будут выпускаться при взаимодействии с другими участниками проекта, причем мы будем собирать информацию [о нейронах], расположенных в разных областях мозга, — поясняет доктор Нг. — Если все станут придерживаться единой методики, то мы сможем без проблем агрегировать все собранные данные».
Такой стандартизированный подход окажется чрезвычайно полезным и в том случае, когда институт Аллена приступит к картированию не только нейронов мыши, но и человека. Если проникнуть в отдельные области мозга мыши не так уж сложно (здесь достаточно провести измерения показателей электрической активности нейронов, расположенных в определенной части зрительной коры), то проникать в человеческий мозг не так-то просто. «Обычно необходимые нам клетки мы получаем от тех пациентов, которым была сделана нейрохирургическая операция — при эпилепсии или в результате удаления опухолей», — говорит доктор Нг. Чтобы нейрохирург смог проникнуть в определенную часть мозга, ему попутно приходится удалять некоторое количество здоровой ткани. Именно этот материал нейробиологи и могут изучать.
Ученым Института Аллена и других научных учреждений следует как можно аккуратнее обращаться с клетками, взятыми для анализа, и тщательнейшим образом их классифицировать — по положению, по экспрессии генов, по электрической активности, по форме. Этих тканей, извлеченных из головного мозга пациентов в ходе операций, будет вполне достаточно для составления общей карты мозга.
В настоящее время главный участник проекта BRAIN — Институт наук о мозге им. Аллена приступил к созданию базы данных, в которую будет помещена информация о типах нейронов, что является первым шагом на пути к пониманию природы мозга. Таким образом, в рамках десятилетнего плана MindScope, принятого Институтом Аллена с целью изучения работы зрительной системы мыши, был сделан первый и очень важный шаг. На начальном этапе ученые занялись классификацией различных видов нейронов мыши по функциям.
«Главная цель состоит в том, чтобы понять, как работает мозг грызуна, — поясняет Лидиа Нг (Lydia Ng), отвечающая за технологии базы данных. — Клетки разных типов — это кирпичики, из которых состоит мозг. Поэтому обобщенная модель их расположения относительно друг друга поможет нам разобраться в процессах, протекающих в момент восприятия мозгом окружающего мира и порождения ответных действий, основанных на этом восприятии».
На первый взгляд база данных, создаваемая в Институте Аллена, довольно проста. В первом релизе БД обобщена информация об электрофизиологических процессах, протекающих в 240 нейронах (из сотен тысяч), расположенных в зрительной коре мозга: это информация об электрических импульсах, которые возбуждают нейрон и активируют нервные сигналы, порождающие восприятие и ответную реакцию. Но главная задача для понимания работы мозга как единого целого состоит в том, чтобы рассортировать эти клетки по более крупным категориям, создав, как в химии, нечто вроде периодической системы элементов.
Ученые уже довольно долго занимаются исследованием мозга человека. Несмотря на это, вся информация в основном представлена либо на макроуровне (в виде сканов, отображающих активность отдельных областей мозга), либо на микроуровне (информация об экспрессии нейромедиаторов и их рецепторов в отдельных нейронах). Однако связь между этими двумя уровнями остается неясной — то есть, не получен ответ на вопрос о том, как взаимодействующие между собой миллиарды нейронов запускают механизмы активации и поведения. Нейробиологи даже не имеют четкого представления о том, сколько существует разных типов нейронов; ответ на этот вопрос важен для понимания совместной работы этих клеток. «У нас по большому счету отсутствует фундаментальная информация, — говорит исполнительный директор проекта Аллан Джонс, — поэтому с самого начала мы сосредоточились на, так сказать, редукционистском подходе, то есть стали изучать целое по частям».
После того, как создание базы данных будет завершено, она первой в мире сможет собирать информацию об отдельных клетках по четырем ключевым параметрам: форма клетки, экспрессия гена, расположение в головном мозге, электрическая активность. Ученые из Института Аллена пока что научились отслеживать три из указанных параметра: с помощью светового микроскопа они делают снимки десятков электрически стимулируемых нейронов в высоком разрешении, тщательно отмечая их расположение в коре мозга мыши. «Первый важный вывод заключается в том, что число классов, [к которым относятся клетки], конечно. В общем, формально разбить клетки на классы мы сможем», — сообщил Джонс.
Затем Институт Аллена будет собирать данные по экспрессии генов в клетках, секвенируя их РНК. А потом, после обработки всех четырех параметров можно будет перейти к классифицированию типов клеток. Получившаяся в итоге система классификации поможет анатомам, физикам и неврологам эффективнее изучать нейроны и строить более точные модели функционирования коры головного мозга. Внимание следует уделить не только содержимому базы данных, но также способам ее наполнения и принципам измерения элементов, ее составляющих. В этом залог успеха будущих глобальных проектов по картированию мозга.
Чтобы создать единую модель мозга, нейробиологам придется собирать информацию с каждого нейрона несчетное число раз. Для начала ученым нужно будет фиксировать электрическую активность живых нейронов, прикрепив к ним крошечные пипетки, диаметр которых не превосходит нескольких микрон. Через пипетки к клеткам для их активации будет подводиться ток, а на выходе будет фиксироваться электрическая активность. Существует множество способов классификации этих параметров, и, чтобы понять работу нейронной системы как единого целого, нейробиологам следует использовать при сравнении электрической активности каждого отдельного нейрона один и тот же подход.
Институт Аллена в сотрудничестве с другими крупными центрами, которые занимаются исследованиями в области нейробиологии, — Калтехом, Нью-Йоркской медицинской школой, Медицинским институтом Говарда Хьюза в Беркли — договорился использовать единую методику измерения электрической активности всех нейронов, которые изучались до текущего момента (они назвали ее «Нейроданные без границ»). Вначале массивы данных по нейронам мыши были собраны только сотрудниками Института Аллена, однако выработка стандартизированной методики проведения экспериментов положительно скажется на всем проекте BRAIN. «Новые релизы базы данных будут выпускаться при взаимодействии с другими участниками проекта, причем мы будем собирать информацию [о нейронах], расположенных в разных областях мозга, — поясняет доктор Нг. — Если все станут придерживаться единой методики, то мы сможем без проблем агрегировать все собранные данные».
Такой стандартизированный подход окажется чрезвычайно полезным и в том случае, когда институт Аллена приступит к картированию не только нейронов мыши, но и человека. Если проникнуть в отдельные области мозга мыши не так уж сложно (здесь достаточно провести измерения показателей электрической активности нейронов, расположенных в определенной части зрительной коры), то проникать в человеческий мозг не так-то просто. «Обычно необходимые нам клетки мы получаем от тех пациентов, которым была сделана нейрохирургическая операция — при эпилепсии или в результате удаления опухолей», — говорит доктор Нг. Чтобы нейрохирург смог проникнуть в определенную часть мозга, ему попутно приходится удалять некоторое количество здоровой ткани. Именно этот материал нейробиологи и могут изучать.
Ученым Института Аллена и других научных учреждений следует как можно аккуратнее обращаться с клетками, взятыми для анализа, и тщательнейшим образом их классифицировать — по положению, по экспрессии генов, по электрической активности, по форме. Этих тканей, извлеченных из головного мозга пациентов в ходе операций, будет вполне достаточно для составления общей карты мозга.
Оригинал публикации: A First Big Step Toward Mapping the Human Brain
Комментариев нет:
Отправить комментарий