Десять лет назад доктор Джефф Лихтман, профессор молекулярной и клеточной биологии Гарвардского университета, получил в своей лаборатории небольшой образец мозга.
Несмотря на крошечность, 1 кубический миллиметр ткани был достаточно большим, чтобы содержать 57 000 клеток, 230 миллиметров кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов.
“Она была меньше рисового зернышка, но мы начали разрезать ее и рассматривать, и это было действительно красиво”, - сказал он. “Но по мере того, как мы накапливали данные, я понял, что у нас просто было намного, намного больше, чем мы могли осилить”.
В итоге Лихтман и его команда получили 1400 терабайт данных из выборки — примерно содержание более 1 миллиарда книг. Теперь, после десятилетия тесного сотрудничества лаборатории с учеными Google, эти данные превратились в самую подробную карту образца человеческого мозга, когда-либо созданную.
300 миллионов изображений
Образец мозга был взят у пациента с тяжелой формой эпилепсии. По словам Лихтмана, это стандартная процедура - удалить небольшую часть мозга, чтобы остановить судороги, а затем осмотреть ткани, чтобы убедиться, что они в норме. “Но она была анонимной, поэтому я почти ничего не знал о пациенте, кроме его возраста и пола”, - сказал он.
Чтобы проанализировать образец, Лихтман и его команда сначала разрезали его на тонкие срезы с помощью ножа с алмазным лезвием. Затем срезы поместили в твердую смолу и снова нарезали очень тонкими ломтиками. “Около 30 нанометров, или примерно 1000-я часть толщины человеческого волоса. Они были бы практически невидимы, если бы не тот факт, что мы окрасили их тяжелыми металлами, что сделало их видимыми при электронной визуализации ”, - сказал он.
В итоге команда получила несколько тысяч срезов, которые были сняты на специально изготовленную пленку, создав своего рода кинопленку: “Если вы сфотографируете каждый из этих участков и выровняете эти снимки, вы получите трехмерный фрагмент мозга на микроскопическом уровне”.
Именно тогда исследователи поняли, что им нужна помощь с данными, потому что результирующие изображения займут значительный объем памяти.
Лихтман знал, что Google работает над цифровой картой мозга плодовой мушки, выпущенной в 2019 году, и располагал подходящим компьютерным оборудованием для этой работы. Он связался с Виреном Джейном, старшим научным сотрудником Google, который работал над проектом "Плодовая мушка".
“Было 300 миллионов отдельных изображений (в данных Гарварда)”, - сказал Джейн. “Что делает это таким большим объемом данных, так это то, что вы получаете изображение с очень высоким разрешением, на уровне отдельного синапса. И только в этом небольшом образце мозговой ткани было 150 миллионов синапсов.”
Чтобы разобраться в изображениях, ученые из Google использовали обработку и анализ на основе искусственного интеллекта, определив, какой тип клеток изображен на каждом снимке и как они связаны. В результате получилась интерактивная 3D-модель мозговой ткани и самый большой набор данных о структуре человеческого мозга, когда-либо созданный с таким разрешением. Google разместила ее в Интернете под названием “Нейроглансер”, и в то же время в журнале Science было опубликовано исследование, соавторами которого были Лихтман и Джейн.
Понимание мозга
Результатом сотрудничества между командами Гарварда и Google стали цветные изображения, которые делают отдельные компоненты более заметными, но в остальном они являются правдивым изображением ткани.
“Цвета совершенно произвольны, - объяснила Джейн, - но помимо этого, здесь нет особой художественной вольности. Весь смысл этого в том, что мы ее не выдумываем — это настоящие нейроны, настоящие провода, которые существуют в этом мозге, и мы действительно просто делаем это удобным и доступным для просмотра и изучения биологами ”.
Данные содержали некоторые сюрпризы. Например, вместо формирования единого соединения пары нейронов имеют более 50. “Это похоже на то, как если бы два дома в квартале соединяли 50 отдельных телефонных линий. Что там происходит? Почему они так тесно связаны? Мы пока не знаем, какова функция или значение этого явления, нам придется изучать его дальше ”, - сказал он.
По словам Лихтмана, в конечном итоге наблюдение за мозгом на таком уровне детализации может помочь исследователям разобраться в нерешенных медицинских проблемах.
“Что значит понимать наш мозг? Лучшее, что мы можем сделать, это описать ее, и надеемся, что из этих описаний придет понимание, например, того, насколько нормальный мозг отличается от мозга с нарушениями при психических заболеваниях взрослых или нарушениях развития, таких как аутистический спектр, — такого рода сравнение будет очень ценным ”, - сказал он. “В конечном итоге это даст нам некоторое представление о том, что не так, о чем в большинстве случаев мы все еще пребываем в неведении”.
Лихтман также считает, что набор данных может быть наполнен другими удивительными деталями, которые из-за своего размера еще не были обнаружены: “И именно поэтому мы делимся им онлайн, чтобы любой мог посмотреть на него и найти что-нибудь”, - добавил он.
Далее команда, стоящая за проектом, намерена создать полную карту мозга мыши, для чего потребуется в 500-1000 раз больше данных, чем для образца человеческого мозга.
“Это будет означать 1 эксабайт, то есть 1000 петабайт”, - сказал Лихтман. “Многие люди напряженно думают о том, как мы собираемся это сделать, и мы находимся на первом году пятилетнего исследования принципа. Я думаю, что получение полной схемы подключения мозга млекопитающих стало бы переломным моментом для нейробиологии; это дало бы ответы на многие, очень многие вопросы. И, конечно, это выявило бы еще много проблем, которых мы не ожидали ”.
Как насчет картирования всего человеческого мозга? Это было бы еще в 1000 раз больше, объяснил Лихтман, что означает, что объем данных составил бы 1 зеттабайт. В 2016 году таков был объем всего интернет-трафика за год, по данным Cisco. На данный момент, по словам Лихтмана, было бы не только трудно даже хранить такой объем данных, но и не было бы этически приемлемого способа получения первозданного, хорошо сохранившегося человеческого мозга.
Открываем новые горизонты
Исследователи в той же области, которые не участвовали в работе, выразили свой энтузиазм, когда CNN обратилась к ним за комментариями.
“Это замечательное исследование, и из подобных данных можно многому научиться”, - сказал Майкл Бьенковски, доцент кафедры физиологии и неврологии Медицинской школы Кека Университета Южной Калифорнии.
“Многое из того, что, как нам кажется, мы понимаем о человеческом мозге, экстраполировано на животных, но подобные исследования имеют решающее значение для выявления того, что действительно делает нас людьми. Визуализация нейронов и других клеток мозга действительно сложна из-за их огромной плотности и сложности, а текущий набор данных не отражает связей на более дальнем расстоянии ”, - сказал Бьенковски.
“Из каких еще областей мозга поступают эти входные данные и куда направляются выходные данные, когда они покидают эту область? Но увидеть все эти различные типы клеток и их взаимодействие невероятно и заставляет вас оценить, какой шедевр архитектуры подарила нам жизнь ”, - добавил он.
Андреас Толиас, профессор офтальмологии из Стэнфордского университета в Калифорнии, согласился с этим. “Это замечательное техническое исследование, которое реконструирует структуру коры головного мозга человека в высоком разрешении”, - сказал он. “Я был особенно взволнован открытием редких аксонов, способных образовывать до 50 синапсов. Это открытие интригует и поднимает важные вопросы об их вычислительной роли ”.
“Мозг каждого человека представляет собой обширную сеть из миллиардов нервных клеток”, - сказал Спорнс, заслуженный профессор психологии и наук о мозге в Университете Индианы. “Эта сеть позволяет клеткам взаимодействовать по очень специфическим схемам, которые имеют фундаментальное значение для памяти, мышления и поведения. Составление карты этой сети, коннектома человека, имеет решающее значение для выяснения того, как работает мозг ”, - добавил он, отметив, что исследование открывает новые возможности для исследования и открытий.
