3д модель мозга онлайн. Карта как отправная точка

Ученые впервые составили 3D-модель мозга дрозофилы

• Научно-популярное

Чернобрюхая дрозофила (источник: geo.ru)

Изучение нервной системы человека и животных ведется учеными сотни лет. Конечно, за это время человек гораздо лучше стал понимать принцип работы отдельных нервных клеток и всей системы, из которых она состоит. Но до полного понимания еще далеко.

Изучение ведется по принципу «от простого к сложному»: если нет возможности сразу понять то, как работает, например, мозг человека, то специалисты занимаются изучением мозга более простых существ. Ученые из Университета Токай выбрали в качестве объекта для изучения мозг дрозофилы.

Мозг даже такого небольшого насекомого, как дрозофила - это очень сложная система. Для построения объемной модели этого органа ученым потребовалось много времени. Сейчас специалисты работают с рядом методик, которые позволяют без особых проблем изучать строение мозга. Например, ученые используют флуоресцентные вещества, которые высвечивают отдельные нейроны. Электронный микроскоп тоже помогает в изучении мозга, показывая его структуру на нейронном уровне.

После того, как отдельные нейроны «картированы», получившиеся изображения анализируют для составления единой системы. Отображение связей между нейронами и составление модели мозга и является конечной целью такой работы. Все это нужно для того, чтобы понимать, как все связано со всем, и как все это работает.

Объемная модель мозга, созданная при помощи компьютера, демонстрирует многие нейронные связи. Команда ученых Университета Токай под руководством Рюта Мизутнани разработала новый метод составления объемной карты мозга. Для этого используются особое вещество, отдельные молекулы которого прикрепляются к нейронам мозга. Далее ученые создают «скелетную карту» молекул при помощи облучения мозга рентгеновскими лучами. Используя свой метод, ученые смогли составить подробную объемную карту сети нейронов мозга насекомого.

В биохимии для создания 3D моделей сложных органических веществ используется особый метод. Для создания «скелетной карты» молекулы соединения используется рентгеновское излучение. Если это возможно, интересующее специалистов соединение кристаллизуется. А далее используется рентгеновская кристаллография (рентгеноструктурный анализ). Это использование рентгеновских лучей для выявления молекулярной структуры кристалла. Основан метод на явлении рентгеновской дифракции - рассеяния пучка рентгеновских лучей атомной структурой кристалла.

Этот метод неплох, но если структура вещества очень сложная, то для составления 3D модели молекулы вещества приходится тратить большое количество времени. Последние пару десятков лет ученым помогают компьютеры, которые анализируют полученные в ходе изучения вещества данные. Компьютерные системы помогают оценить позицию атома в трехмерном пространстве, затем изучается связь с другим атомом, потом - еще одним итак далее. Программное обеспечение понемногу выстраивает модель изучаемого вещества.

Мизутани решил использовать этот метод и ПО для определения местоположения и формы нейронов мозга дрозофилы. Здесь есть определенные сложности, одна из которых заключается в том, что нейроны - это вовсе не атомы. Это сложные объекты, которые могут сбыть связаны друг с другом самым необычным образом.

Для построения карты мозга ученые использовали метод, который называется рентгеновская томография. Это метод послойного исследования структуры неоднородных объектов в рентгеновском излучении, основанный на зависимости линейного коэффициента поглощения в рентгеновском диапазоне от состава и плотности вещества. Ученые пропитали мозг плодовой мушки серебристой краской, а затем просветили рентгеновским излучением. Специальная система помогла оценить отклонение рентгеновских лучей. А это, в свою очередь, и позволило создать трехмерную карту абсорбированных нейронами молекул красителя.

После этого ученые перешли к следующему этапу работы, используя эти данные для оценки местоположения и формы нейронов мозга. В ходе работы над созданием карты мозга дрозофилы использовалось специальное программное обеспечение. Оно позволяло убедиться в том, что система не расценит два рядом расположенных нейрона, как один, например. ПО постепенно составляло карту мозга мушки, отыскивая аномальные данные и проверяя их на наличие ошибок. Результат работы ПО проверялся оператором - человеком. Если что-то было не так, человек исправлял проблему.

В итоговой модели показаны 100 000 нейронов. Система отследила 15 000 связей между ними. На создание карты, по признанию ученых, потребовалось около 1700 человеко-часов. Но результат стоил всех потраченных усилий и времени. 3D-модель мозга дрозофилы является первой в мире. С ее помощью удалось идентифицировать уже известные образования в мозгу насекомого, а также обнаружить структуры, о которых ученые ничего не знали.

Работа японцев очень важна для дальнейшего изучения нервной системы животных и человека. С течением времени ученые надеются создать карту мозга более сложных организмов.

Дрозофилы в силу ряда своих особенностей являются популярным объектом для изучения. Годом ранее команда учёных из Медицинского института Говарда Хьюза в США представила интересную видеозапись, на которой отчётливо видна нервная активность личинки плодовой мушки дрозофилы.

Нервную систему личинки ученые изучали во время движения вперед и назад. На видео заметна передача сигналов от верхней части туловища личинки к нижней и обратно. По словам специалистов, эта модель очень подробна. Ее удалось создать благодаря использованию новых методов съемки нейронной активности организма.

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.

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.