Создание и использование цифровых атласов мозга

Преамбула

Главный недостаток существовавших методов изучения структуры мозга, взаимоотношений между частями и его нейронной организации, связан с использованием 2D картографии мозга (срезы мозговой ткани). Плоскостного отображения мозга не позволяет отразить важные области, поскольку он имеет очень сложную поверхностную и внутреннюю структуру.

Появление 3D цифровых атласов мозга открыли самые разнообразные дополнительные возможности для исследования мозга и прикладного использования.

Данная статья посвящена обзору созданных 3D цифровых атласов мозга и перспектив их использования.

Атлас мозга «Brain Observatory»

Технология формирования атласа

В обсерватории мозга (The Brain Observatory) в Сан-Диего – проводятся уникальные работы по созданию цифрового атласа мозга.

Молейсон завещал своё тело науке, и учёные рассекли головной мозг пациента на тысячи тончайших слоёв, чтобы впоследствии создать его трехмёрный цифровой атлас (фото J. Annese, Brain Observatory). Для создания максимально полной 3D-реконструкцию мозга его разделили на тонкие слои по 70 мкм каждый (толщина листа бумаги) от передней части органа к его задней части (всего 2401 срезов) [1].

Предварительно мозг замораживался в формальдегиде и сахарозе до температуре — 40°, которая затем в течение 53-х часов поддерживалась с помощью оборудования разработанного для антарктических экспедиций инженером Дэвидом Мелбергом (David Malmberg). Полученные таким образом помещались в стеклянную камеру.

Полученные пластины с использованием современных технологии, в том числе магнитно-резонансная томография (MRI), оцифровывались (объем полученной информации превышает 1 Тб). Оцифрованные части в Калифорнийском университете собираются в единую 3D картину.

Таким образом, по выражению одного из ученых проекта (Джекопо Аннес — Jacopo Annese) создается «похожий на Google Earth поисковый механизм» – первый полностью реконструированный атлас мозга.

Чей мозг и почему использовался?

Мозг для построения модели был завещен Генри Молейсоном (Henry Molaison)[1]. Пациент HM стал, пожалуй, самой известной личностью в неврологии, после того как в 1953 году ему удалили несколько областей мозга. Результатом операции сталаамнезия. Постоянная готовность больного подвергаться всё новым и новым тестам на протяжении всей жизни дала учёным беспрецедентную возможность досконально изучить, в какой части мозга формируются и хранятся воспоминания.

Ещё ребёнком Молейсон страдал от тяжёлых эпилептических припадков. Лечение лекарственными средствами результатов не давало. Тогда нейрохирург Уильям Сковилл (William Scoville) из Хартфордского госпиталя в Коннектикуте предложил 27-ми летнему удалить некоторых ткани медиальных височных долей обоих полушарий.

В результате эпилептические припадки стали менее интенсивными, но при этом Молейсон потерял способность к формированию каких-либо новых воспоминаний (антероградная амнезия). Также появились частичные признаки и ретроградной амнезии: он с трудом вспоминал своё дооперационное прошлое. До конца своей жизни он так и не запомнил ни одного события, он не помнил ни о своём дне рождения, ни даже о теме разговора, произошедшего считанные секунды назад. При этом его интеллект никоим образом не был повреждён, и все умственные способности сохранились. Он с радостью соглашался на любые предлагаемые ему тестирования и испытания памяти, которые порой были длительными и скучными. Возможно, соглашался Генри из-за того, что каждый эксперимент казался новым для него.

Молейсон завещал свой мозг науке. Это позволило доктору Джакопо Аннезе и его коллегам из Обсерватории мозга сделать окончательные выводы о том, что проблемы с памятью были связаны с конкретными областями повреждённого мозга.

Прежде многие исследователи полагали, что память «хранится» по всему мозгу. Однако случай Молейсона стал первым доказательством того, что она, по сути, заключена в гиппокампе и окружающих его структурах. Однако тестирования показали, что процедурная память, видимо, расположена за пределами гиппокампа, так как Молейсон остался в состоянии осваивать какие-то новые навыки (хотя он быстро забывал, для чего именно они нужны).

Сканирования мозга Молейсона в период с 1984 по 1993 годы помогли учёным понять, какие именно области мозга были удалены. Тем не менее, томографические снимки не обладали достаточно высоким разрешением, чтобы выявить точные анатомические границы поражений. Только после вскрытия удалось оценить настоящие масштабы травмы.

3D-реконструкция части левого гиппокампа, оставшейся после операции (иллюстрация Annese et al., Nature Communications). Теперь, благодаря подробнейшей 3D-модели, созданной командой Аннезе, любой исследователь может совершить путешествие во времени и проследить за тем, как именно Сковилл проводил свою операцию. Также любой желающий может подробно изучить каждый кусочек необычного органа.

Исследование показало, что на самом деле большая часть гиппокампа обоих полушарий Генри осталась сохранена. Тем не менее, удаление его энторинальной коры, действующей в качестве шлюза для передачи информации из гиппокампа одного полушария в другое, скорее всего, и помешало гиппокампу функционировать в полном объёме.

Молейсон никогда не говорил о своём внутреннем состоянии ? он не мог чувствовать боль, жажду или голод. После вскрытия определились причины этого — удалены обе миндалины, регулирующие эмоции и внутренние состояния. Также была выявлена еще одна ранее не известная причина — поражение левой части передних долей. Возможно, она появились во время операции, но также существует вероятность, что они были приобретены позднее.

«Посмертное изучение мозга может стать действительно полезным лишь в том случае, если у вас есть возможность проследить связь анатомии с реальным поведением реального человека. Только это поможет понять связь между тем, как выглядит наш мозг и тем, что мы делаем, – говорит Аннезе. – Благодаря пациенту HM у нас есть полувековая история поведения хозяина этого мозга».

3D атлас мозга «BigBRAIN»

https://std3.ru/d5/a3/1372281906-d5a3b6e400bb61d869a2c3a447ee94c5.jpgМеждународная исследовательская команда из нейробиологов Канады и Германии (см. видео), специальным образом законсервировав в парафине мозг 65–летней женщины, методом микротомирования получила 7400 срезов толщиной в 20 мкм каждый. Каждый срез был сфотографирован с использованием техники высокого разрешения, после чего из слайдов создали специальный стереокинематографический 3D фильм–атлас мозга. На одно только сканирование было затрачено более 1000 часов работы суперкомпьютера имевшегося в распоряжении исследователей. Объем информации атласа занимает 10 триллионов байт [2].

Атлас BigBrain дает очень высокую разрешающую способность для раскрытия базовой архитектуры клеток, однако не позволяет спускаться на уровень отдельных клеток.

Атлас содержит не только визуализировать любую часть мозга в любой плоскости, но и анатомическое описание.

В настоящее время команда совместно с «Центром высокопроизводительных вычислений» в Шербруке (Канада) и «Исследовательским центром Юлих» работают над тем, что бы атлас стал доступен даже локальным ноутбукам в любом месте мира.

Нейроны в атласе можно увидеть непосредственно, но самое главное можно рассмотреть структуру головного мозга, особенности построения, такие как борозды и извилины.

http://one-fact.ru/im/10/09/110210_aktivnost-mozga-pri-chtenii.jpg Сопоставляя данные атласа с данными томографов об активности мозга после направленного воздействия на испытуемого, можно изучать связь функциональных областей (т.е. конкретными слоями клеток) в трех измерениях с исходным раздражителем. Таким образом, например, уже «читаются» отдельные слова по месту и виду зафиксированной томографом мозговой активности. Исследование мозговой активности уже сейчас позволяет повысить эффективность обучения (например, корректируя методики в соответствии с уровнем мозговой активности определенной части мозга [4, 5, 6]. степенью по

Катирин Амунт (Katrin Amunts) координатор проекта так оценивает результаты. «По мере увеличения данных исследования об активности нервных клеток в определенных областях мозга, наш атлас поможет эти результаты четко расположить в трех измерениях. Это особенно важно для сравнения показаний различных исследовательских групп. Я думаю, что наш атлас в этом отношении является хорошим инструментом, с которым возможна интеграция результатов различных исследований. Мы, конечно, не хотим и не можем делать это в одиночку. Например, в проекте уже участвует Международный нейроинформационный координационный фонд (INCF), который способствует стандартизации и сотрудничеству между научно-исследовательскими группами».

Атлас BigBrain доступен для всех заинтересованных специалистов. Каждый может на сайте просматривать (прокручивать) разрезы (снимки) с изменением угла обзора для нахождения нужного исследователю разреза. Статическая модель не такой возможности не предоставляет.

Команда исследователей продолжает проект картографирования мозга других доноров для выявления общих характеристик («золотого шаблона»), а также выявления индивидуальных особенностей. Кроме того, ведется работа по увеличению разрешающей способности атласов.

Проект BigBrain является, частью общеевропейского проекта Human Brain Project, в который инвестировано более 1,3 млрд. долларов и конечной целью которого является полная симуляция человеческого мозга суперкомпьютером.

Атлас Пола Аллена

377408_20100805092219 В 2001 году соучредитель компании Microsoft Пол Аллен основал в Сиэттле (США) Институт исследования мозга [3].

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.

atlas Была составлена подробная 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 выложили все результаты в открытый доступ. В Атласе brain-map любой желающий может найти информацию об экспрессии конкретного гена в конкретной зоне. Все данные доступны для скачивания, а для опытных пользователей предлагается ряд программ, позволяющих проводить онлайн исследования.

Приобретенный опыт позволил Институту П. Аллена приступить к более масштабному проекту — созданию Атласа головного мозга человека (Allen Human Brain Atlas). Для этого ученые провели детальное изучение мозга двух умерших мужчин (24 и 39 лет) и половины мозга третьего человека. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Сначала исследователи сканировали образцы с помощью магнитно-резонансного томографа. Также они использовали методику диффузной тензорной визуализации, чтобы получить трёхмерную схему пучков нейронов внутри мозга. Затем они разделили каждый экземпляр на множество частей и установили количество и уровень активности генов для каждого отдельного участка. Оказалось, что 84% из более чем 20 тысяч элементов ДНК человека активно работают в нашем мозге.

Учёные сравнили между собой данные, полученные от разных образцов, и обнаружили большое сходство в молекулярном строении и генетических особенностях мозга разных людей. Затем они наложили геном человека на схему его мозга и получили своеобразную карту, содержащую информацию о том, какие гены активны в той или иной области.

«Мозг человека является очень сложной структурой, и одна из основных задач современной биологии – понять, как он устроен и организован, — говорит профессор Сет Грант (Seth Grant) из Эдинбургского университета, который участвовал в создании атласа. – Эти исследования позволяют нам установить связи между генетическим кодом и функциями мозга, что поможет разгадать причины некоторых генетических нарушений и заболеваний».

Учёные также не выявили серьёзных различий в функционировании генов правого и левого полушария мозга, которые, как известно, отвечают за разные задачи. Они предполагают, что выполнение специфических функций определяется морфологическим строением и нейронными связями, но не генетическими особенностями.

Атлас человеческого мозга размещён в открытом доступе на сайте проекта. Его создатели надеются, что другие исследователи сравнят эту информацию с собственными результатами и восполнят существующие пробелы.

Уже сейчас можно сказать, что атлас вызвал большой интерес в научном мире. С момента публикации первых данных в мае 2010 года более 4000 учёных использовали его в своей работе, каждый месяц сайт проекта посещают порядка 5000 уникальных пользователей. В дальнейшем Институт психолингвистики Макса Планка (Max Planck Institute for Psycholinguistics) собирается задействовать атлас для исследования симметрии мозга.

Институт Пола Аллена создал на YouTube свой образовательный канал, где размещены видеолекции и 3D- модели человеческого мозга. Атлас помогает расширять научные исследования во многих областях нейронауки.

 

http://cdn.static3.rtr-vesti.ru/p/nw_681838.jpghttp://cdn.static2.rtr-vesti.ru/p/nw_681839.jpgИллюстрации Allen Institute. Объединение морфологических и генетических исследований в атласе человеческого мозга

Атлас J?lich Research Center

Учёные крупнейшего в Германии исследовательского центра J?lich Research Center разработали самую детализированную за всю историю 3D-модель человеческого мозга. Более пятнадцати лет неврологи, в сотрудничестве с физиками и инженерами из Института неврологии и медицины (INM-1) картировали кору головного. Для этого использовали срезы тканей, каждая из которых равна двадцати тысячных миллиметра. Исследователи анализировали каждый отдельный элемент и фиксировали на цифровой носитель для создания карт головного мозга.

Совмещением карт нескольких атласов мозгов различных доноров (они накладываются поверх друг друга) создаются обобщенный атлас, в котором каждый участок мозга находит статистически выверенное место. Наличие такого типового шаблона позволяет выделить индивидуальные различия между мозгом различных людей.

Атлас позволяет рассматривать и изучать пространственное расположение участков мозга с различными функциональными назначениями, то есть изучать связь между структурой и функциями участков мозга. Для этого они используют функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), позволяющую определить активные области коры в моменты определенных видов деятельности и различных воздействия на испытуемого.

Karte де menschlichen Gehirns Карта человеческого мозга. Различные цвета показывают различные участки мозга. Например, красные и желтые участки заняты обработкой языка и часто называют совместно как Брока области (авторские права: Исследовательский центр Юлих) [7].

Подробно исследованы и документированы уже более двухсот областей, которые охватывают примерно 70% человеческого мозга. Ученые потребуется около года, чтобы проанализировать область мозга.

Трехмерная модель мозга помогает лучше понять структуру и функцию здорового мозга, что позволяет врачам сравнивать информацию из атласа с данными пациентов полученными методами визуализации, например, магнитно-резонансной томографии (МРТ) или позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Различия между виртуальной моделью мозга и индивидуальных данных пациента дает информацию о неврологических или нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера или других нейрозаболеваниях.

Существующие карты атлас мозга размещены в различных базах данных и, вместе с программным обеспечением, доступны бесплатно через JuBrain Cytoarchitectonic Atlas (сайт Исследовательского центра Юлих) [11].

Сайт pycortex WebGL МРТ

Атлас представлен как доступное то средство просмотра и показывает, как информация о тысячах срезах коры головного мозга объектов и действий категориях представлена через человека неокортекса. Данные для составления атласа были получены при измерении активности мозга, сделанных с помощью фМРТ во время просмотра испытуемыми трейлеров к фильмам. Были оцифрованы 1705 различных участков коры с привязкой ко времени соответствующего трейлера, что позволяет связать визуально слуховые образы с местами активности коры. Более подробная информация об этой работе можно найти в этом видео или в работе Huth, Нишимото Vu и Gallant (2012) [9].

Web реализация атласа выполнена с использованием экспериментальной веб-технологии WebGL и ориентирована просмотр Google Chrome [10]

Панель слева. Слева 3D-модель поверхности коры головного мозга. Используя левую кнопку мыши можно поворачивать кору в любую сторону. Правая клавиша изменяет масштаб. Средняя клавиша (ролик) для изменения положения коры в окне (панорамирования).

Кнопки в нижней части левого экрана изменяют способ отражения поверхности коры. При просмотре плоской поверхности (2D) используется левая кнопка.

Цвета поверхности указывают, какой объект, действие или категория отражаются в соответствующей части мозга. Эти цвета соответствуют цветам категорий справа.

Правая панель. Размещается дерево отображающее 1705 объектов, действий и категорий. При наведении курсора на элементы дерева указывается имя и определение категории. При нажатии на категорию, на левой панели отражается ее имя и участки коры реагирующие на эту категорию. Чтобы вернуться к первоначальному варианту отображения коры нужно вызвать верхнее выпадающее меню (=) и в разделе «Комплексы данных» («Наборы данных») нажать кнопку «семантическое пространство» (Semantic Space).

Для возвращения к исходному состоянию дерева нужно нажать кнопку «Показать семантического пространства» (Show Semantic Space) в левой нижней части правой панели.

3D-просмотр будет работать намного быстрее, если в верхнем подменю (=) в разделе «Трансформирование» (ROIs) отключить кнопку «Этикетки» (Labels).

Дополнительно пользователь может переходить при рассмотрении коры в различных режимах выпуклости мозга от варианта выделений всех извилин до плоскостного отображения для этого в нижней части левой панели можно пользоваться движком или тремя правыми кнопками (Inflated, Superinflated, Flat).

Авторские права: Программа для просмотра «pycortex WebGL МРТ» была написана Джеймсом Гао. Все данные являются собственностью UC регентов и Gallant лаборатории.

«e-Anatomy» ? интерактивный атлас лучевой анатомии человека

«e-Anatomy» ? интерактивный атлас анатомии человека в срезах и изображениях, полученных с помощью методов медицинской визуализации: компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии, рентгенографии. Атлас содержит также макроскопическую анатомию в иллюстрациях. Это самая полная версия анатомии человека на 8 языках, включающая 5400 анатомических структур и 375 000 терминов. Атлас доступен на сайте, на Android и iOS [12].

Резюме

Созданные атласы позволяют решать множество научных задач, например, изучать соединения между клетками и их взаимодействие на новом уровне, изучать индивидуальные особенности мозга конкретных пациентов, выявлять связи активности мозга с конкретными раздражителями, соотношения участков мозга с геномом.

Учитывая, что в настоящее время накоплена большая коллекция мозгов (во всем мире более 500), многие из которых принадлежали пациентам с неврологическими или психиатрическими проблемами, а также психически здоровым людям пожертвовавшим свой мозг для развития науки (например, в канадском Университете МакМастера находится банк из 125 мозгов, включая Альберта Эйнштейна), появляется возможность перевести исследования психологических, ментальных и интеллектуальных процессов на новый уровень понимания.

В ходе уже проведенных исследований (например, Уителсон) уже обнаружились интересные анатомические различия между мужским и женским мозгом; также известна одна из особенностей мозга Эйнштейна: отвечающий за пространственное восприятие участок в теменной доле на 15% больше среднего размера. С увеличением количества такой информации учёные смогут делать более точные выводы при изучении уникальных качеств каждого мозга и сравнении их с «обычным» мозгом среднестатистического человека, не имеющего выдающихся способностей в математике или каких-либо патологий.

Расположение и связи нейронов тесно связаны с функциями мозга, эмоциями и поведением человека. Нейроны не только случайным образом распределены, но и формируют индивидуальные устойчивые связи, в которых собственно и проявляется конкретная человеческая личность.

Появление множества 3D атласов позволяет не только составить типическую картины связей в трехмерном пространстве, но и увидеть индивидуальные отличия.

Источники

  1. Создаётся первый полный цифровой атлас мозга
  2. Brain Research «Wir h?tten nicht geglaubt, dass das machbar ist»
  3. Лучшие 3d-атласы человеческого мозга
  4. Развитие мозга и чтение
  5. Учёные впервые расшифровали произвольные слова в мозге
  6. Scientists decode brain waves to eavesdrop on what we hear
  7. Трехмерный атлас мозга в качестве виртуального «справочной работе»
  8. Изображения и анатомические ссылки
  9. Сайт pycortex WebGL МРТ
  10. The Gallant lab
  11. JuBrain Cytoarchitectonic Atlas
  12. «e-Anatomy» ? интерактивный атлас лучевой анатомии человека 
  13. Генри Густава Молейсона (Henry Gustav Molaison), также известного как «пациент HM». Его мозг прижизненно изучали, проводили операции на нем и излечили от эпилепсии, но при этом полностью лишили кратковременной памяти. Молейсон скончался от дыхательной недостаточности в 2008 году в возрасте 82 лет.

Добавить комментарий

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