Как наука изучает мозг

В разделе "Подробности" сайта Томского государственного университета опубликована статья сотрудника Российской академии образования, приглашенного специалиста Международного центра развития человека ТГУ, победителя «Science Slam двух столиц» Ильи Захарова "Коннектомика: как современная наука изучает мозг". Автор попытался популярно объяснить, каким образом последние 10 лет ученые исследуют мозг и что им удалось достоверно узнать о его деятельности. Ниже публикуется полные текст статьи Ильи Захарова.

Ученые открыли область мозга, отвечающую за влюбленность. Ученые открыли область мозга, отвечающую за агрессивность. Ученые открыли область мозга… Пока в научно-популярных новостях «ученые» открывают область за областью, становясь все больше похожи на френологов XVIII века (ссылка на «Википедию»: френология – одна из первых лженаук в изучении мозга), исследователи все больше переключаются на анализ целостной структуры анатомических и функциональных связей между большим количеством структур одновременно. 

Такой подход получил название коннектомика (это калька с английского, которая как раз и говорит про изучение связей – connections). Глядя на распространенность этого подхода сейчас, сложно представить, что первая статья на эту тему была опубликована всего 10 лет назад.

Суть коннектомики заключается в изучение мозга как системы, каждая часть которой как-то связана с другой. Целью исследований становится попытка воссоздать эти системы связей на разных уровнях. Например, в области анатомии коннектомика уже достигла удивительных результатов и ученые не собирается снижать темп.

Многие наверняка видели красивую картинку, которую группа Muse сделала обложкой своего альбома… Эти картинки получены с помощью дифузионно-тензорной томографии (DTI). Анализируя характеристики движения молекул воды в нервных тканях, исследователи с помощью этого метода уже открыли новые, не известные ранее и очень важные тракты в мозге. Среди самых удивительных открытый: например, оказалось, что существует анатомическая связь между такими-то областями в мозге, которая помогает нейролингвистам строить новые модели организации речи.

Еще более интересные события происходят на уровне анатомического устройства отдельных нейронов. Уже сейчас существует трехмерная модель всех связей в сетчатке глаза мыши. Это невероятный труд: с помощью двухфотонной микроскопии исследователи изучают отдельные срезы нервной ткани толщиной 10 нанометров, которые получают, сдувая верхние слои в клетке с помощью ионной пушки. Длина и диаметр сетчатки мыши при этом чуть больше трех миллиметров, толщина еще около одного миллиметра. Общее количество срезов предлагаю подсчитать самостоятельно. При этом построить по этим снимкам 3D-модель можно только с помощью человека, потому что компьютеры до сих пор делают в такой задаче слишком много ошибок. 

Что самое потрясающее – вы можете сами посмотреть, как это делается и даже помочь исследователям. Вот здесь  (http://knossostool.org/), вот здесь: 

и вот здесь (https://eyewire.org/signup). В готовом виде выглядит примерно вот так: 

Но и это не самое поразительное. Сейчас существуют подходы, которые позволяют изучать структуры взаимосвязей нейронов на микроскопическом уровне в живом и работающем мозге (конечно, это мозг не человека, а рыбки данио-рерио – zebrafish). При этом чтобы избежать искажений данных от движения рыбки, ее фиксируют и моделируют специальную «виртуальную реальность» для изучения поведения животного. С помощью генетической модификации делают так, что когда нейрон в мозге у рыбки срабатывает, он загорается красным цветом (это можно увидеть даже невооруженным взглядом, на ранних этапах развития голова у данио-рерио прозрачная). Все это называется whole-brain functional microscopy. Вот: 

Конечно, такая точность пока не достигнута в исследованиях человека. Но и здесь построение архитектуры функциональных связей работающих участков мозга с помощью фМРТ или ЭЭГ позволили узнать много нового про устройство мозга. Так оказалось, что в самых разных условиях при решении разных задач выделяются специфические области мозга, через которые передается большая часть информации. Эти области выступают в роли «хабов», которые связывают воедино параллельную обработку информации в разных отделах. В математической теории графов такая архитектура называется архитектурой «закрытых клубов» (Rich club architecture). Исследователи также выделили специфическую сеть пассивной работы мозга, особенности которой позволили пролить свет на различия между типично развивающимися людьми и людьми с аутизмом или шизофренией. Совсем недавно было также показано, что люди очень отличаются по деталям организации таких сетей. Исследователи смогли разработать алгоритм, который позволял отличать людей друг от друга по этому показателю с точностью до 90%.

Конечно, коннектомика не позволяет решить всех вопросов. Так, полная модель взаимосвязи всех нейронов у червя c.elegans существует уже больше 20 лет, но мы до сих пор не можем до конца описать даже его поведение. Но, тем не менее, выход на уровень коннектомики позволил исследователям задавать совершенно новые вопросы. А правильно заданный вопрос – это половина ответа. Ждем дальнейших открытый.

На рисунке изображен коннектом, полученный с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии. Аббревиатуры – это названия отдельных областей интереса – участков мозга, для которых анализировались связи. Толщина линии – сила связи между парой участков.