Новости и мнения

Ментальная карта

От определения структур до выяснения функций ученые, занимающиеся картированием мозга, применяют новые технологии, чтобы понять центр центральной нервной системы.

As the dust settles around the launch of President Obama’s BRAIN Initiative, researchers are assessing the state of brain-mapping science. По мере того, как пыль оседает вокруг запуска Инициативы Президента Обамы «Мозг», исследователи оценивают состояние науки картографии. Целью мозга является картирование контуров человеческого мозга, связывающих электрическую и химическую активность с поведением и познанием. Некоторые считают, что картирование мозга и его деятельности приведет к демистификации человеческого разума и будет способствовать разработке новых методов лечения. Другие утверждают, что нецелесообразно наносить на карту весь мозг с его, казалось бы, бесконечными связями.

«Соблазнительно сравнивать этот проект с проектом« Геном человека », – сказал Эмери Браун , нейробиолог и анестезиолог из Массачусетского технологического института, а также консультант Инициативы BRAIN. Однако, добавил он, «картирование человеческого мозга намного сложнее».

Для сравнения: нейробиологи сегодня, возможно, настолько же близки к картированию всего мозга, как Уотсон, Крик и Франклин, к последовательности всего генома человека в 1950-х годах. Современные нейробиологи начинают разрабатывать технологии, которые потребуются для достижения гораздо большей цели, которая, вероятно, будет полностью реализована только будущими поколениями.

Мозг можно наблюдать на нескольких разных уровнях – от молекул до клеток, от цепей и систем до всего органа и его обширных сетей. Даже на этих отдельных уровнях многие ученые предпочитают выяснять структуру или функцию. Исследователи наблюдают за мозгом через различные линзы, каждый из которых дает уникальный и детальный обзор сложного органа.

Конечно, BRAIN – не единственная крупномасштабная инициатива, направленная на лучшее понимание учеными штаб-квартиры центральной нервной системы. Например, в июне Монреальский неврологический институт и немецкий исследовательский центр в Юлихе представили атлас BigBrain – трехмерную цифровую визуализацию мозга, доступную в режиме онлайн, которая стала результатом 10-летней работы, в которой использовались новые методы в полная анатомия и нарезка тканей, плюс передовые компьютерные технологии. И хотя атлас, являющийся частью Европейского проекта человеческого мозга, служит отличным эталоном структуры, он мало говорит о функции.

Затем идет проект Human Connectome, возглавляемый исследователями из Университета Калифорнии, Лос-Анджелеса, Массачусетской больницы общего профиля, Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Университета Миннесоты. Члены этого предприятия используют методы визуализации для создания структурных и функциональных карт мозга. В другом месте команда, возглавляемая исследователями из Института наук о мозге Аллена в Сиэтле, составляет карты экспрессии генов, чтобы помочь определить структуру и функцию мозга.

На данный момент полное решение всей структуры и каждой функции мозга – это несбыточная мечта. «Причина, по которой мы не понимаем мозг как большую карту деятельности, заключается в том, что у нас нет инструментов для этого», – сказал Джон Донохью , нейроинженер из Университета Брауна, который является советником Инициативы BRAIN.

Множество устоявшихся методик обеспечивают нисходящую перспективу мозга. Среди нескольких вариаций магнитно-резонансной томографии (МРТ) наиболее популярной является функциональная МРТ (МРТ). Этот неинвазивный подход обеспечивает простой метод разграничения функций мозга. Он полагается на принцип, что кровоток и последующее потребление кислорода в определенной области мозга увеличатся, когда эта область используется человеком для выполнения задачи или поведения определенным образом.

Сканирование позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ) отслеживает радиоактивно меченые элементы, введенные в кровь субъекта, когда она выполняет какое-либо поведение, например, чтение. Эти элементы – молекулы, которые могут связывать определенный рецептор в мозге – обнаруживаются с помощью сканирования ПЭТ, выясняя нейрохимические вещества, вовлеченные в определенное поведение.

Методы регистрации мозга, такие как электроэнцефалография (ЭЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ), также обеспечивают крупномасштабные функциональные перспективы мозга. ЭЭГ может записывать электрическую активность в мозге, в то время как МЭГ регистрирует магнитные поля, создаваемые этой электрической активностью. Эти методы могут различать характерную и локализованную электрическую активность, лежащую в основе поведения и заболевания. Исследование, опубликованное в « Биологической психиатрии» в прошлом месяце под руководством исследователей из Амстердамского университета, продемонстрировало, что регистрация ЭЭГ может дифференцировать подтипы синдрома дефицита внимания / гиперактивности, предоставляя клиницистам еще один уровень диагностической объективности.

Бурение вниз

Сосредоточив внимание на молекулярных и клеточных характеристиках нейронов, ученые могут изучать мозг, используя восходящий подход. Для этого часто используются модели животных. Ученые могут генетически сконструировать различных животных, чтобы им не хватало определенных популяций нейронов, рецепторов или нейротрансмиттеров, а затем изучить возникающие последствия для поведения.

Флуоресцентные подходы уже произвели революцию в исследовании мозга. Brainbow – подход, который может по-разному освещать отдельные нейроны в мозге – и другие флуоресцентные методы позволяют ученым тщательно исследовать отдельные нейроны.

Кроме того, существуют проверенные и надежные методы, такие как ретроградное и антероградное отслеживание в модельных системах, которые показывают, как соединяются нейроны. Во-первых, исследователи вводят краситель, генетическую конструкцию, белок или вирус в группу нейронов. Эта биологическая метка будет перемещаться вниз по нейрону к клеткам, с которыми она синапсируется при отслеживании антероград, или вверх по нейрону к нейронам, которые синапсируют с ней при ретроградном отслеживании, выявляя его связи. Используя ретроградный транснейрональный транспорт вируса бешенства из почек, Питер Стрик, нейробиолог из Университета Питтсбурга, продемонстрировал, что двигательные зоны коры крысы имеют общие связи с выделительными органами в мае прошлого года. Его работа была опубликована в журнале нейронауки .

Визуализация мозга позволяет ученым различать функции больших участков мозга. Молекулярные и клеточные методы позволяют им установить функцию от отдельных нейронов или кластеров нейронов. Но сосредоточиться на среднем масштабе – где эти схемы и сети сливаются – все еще ускользает от ученых.

Подделка соединений

«Вы можете представить себе движение в двух направлениях», – сказала Ив Мардер , нейробиолог из Университета Брандейс и советник Инициативы «Мозг». «Одним из них является увеличение разрешения крупномасштабных изображений», – сказала она. По мере увеличения масштаба, современные молекулярные и клеточные методы также могут быть улучшены, чтобы позволить ученым видеть «больше клеток одновременно с большим количеством модальностей», добавила она.

«У нас есть микроинструменты и макроинструменты, но у нас нет среднего масштаба», – сказал Донохью Брауна. Но появляющиеся инструменты и методы прокладывают путь.

Например, с помощью оптогенетики ученые могут контролировать конкретные популяции нейронов и наблюдать за поведенческими эффектами на моделях живых животных. Животные могут быть генетически спроектированы так, что определенные классы нейронов или рецепторов экспрессируют опсин, светочувствительный белковый комплекс. Свет с длиной волны этого опсина может быть направлен на открытую часть мозга, чтобы специфически активировать эти нейроны или рецепторы.

А затем появились новые и улучшенные методы визуализации , которые позволяют ученым изучать как форму, так и функцию. Недавно команда исследователей из Медицинского института им. Джанелии Фарм в Ашберне, штат Вирджиния, в Медицинском институте Говарда Хьюза (HHMI) продемонстрировала активную визуализацию всего мозга рыбок данио при разрешении отдельных нейронов с помощью флуоресцентной микроскопии на легких листах. Этот метод позволил им наблюдать активность 80 процентов из 100 000 нейронов, составляющих мозг рыбок данио в живом действии каждые 1,3 секунды.

Ключом к исследованию, проведенному Мишей Аренсом и Филиппом Келлером из HHMI, были генно-инженерные данио, чьи белки кальция, чувствительные к нормальному напряжению, были флуоресцентно помечены. Благодаря тому, что микроскопы освещали их мозг мозгами, исследователи смогли визуализировать активность целых популяций нейронов в реальном времени.

Поскольку эта методика основана на светопроницаемой ткани, Келлер отмечает, что она пока не может быть легко адаптирована для более крупных мозгов, таких как у мышей или людей. Тем не менее, запись активности всего мозга, даже в модельной системе, может обеспечить эту среднюю шкалу.

Другим подходом, который может помочь преодолеть разрыв, является CLARITY – прозрачный, липидообменный, анатомически жесткий, совместимый с изображениями / иммуноокрашиванием, гидрогель ткани – метод, разработанный Карлом Дайссеротом в Медицинской школе Стэнфордского университета. В этом методе весь жир вымывается из образца мозга и заменяется гидрогелем, что делает образец прозрачным и готовым для исследования под микроскопом.

Тем не менее, ученые согласны с тем, что ни один метод не может открыть все секреты мозга.

«Я думаю, что большая часть усилий будет направлена ​​на развитие и особенно на объединение технологий, чтобы получить как можно больше информации о всевозможных функциях и поведении», – сказал Аренс. «Объединение нескольких методов обычно приводит к большему, чем сумма».

Достижение полного понимания человеческого мозга «потребует междисциплинарной науки огромных масштабов», – сказала репортерам в сентябре на брифинге для журналистов нейробиолог Рокфеллеровского университета Корнелия Баргманн , сопредседатель группы планирования NIH по BRAIN. По ее словам, это не только вопрос нейробиологии, «но также молекулярная генетика, физика, инженерия, информатика, нанонаука и математика».

Обсуждение

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *