Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

The Human Brain Project: откуда мы знаем, как устроен мозг?

Ключевые слова:  The Human Brain Project, микроскопия, мозг, периодика

Автор(ы): Смирнов Евгений Алексеевич

Опубликовал(а):  Гольдт Илья

12 февраля 2014

В самом начале 2013 года было объявлено о старте европейского мега-проекта по изучению человеческого мозга с бюджетом более миллиарда евро, рассчитанного на 10 лет. В конце уже минувшего года проект был официально запущен, и выделены первые средства, но до сих пор не было написано ни единого слова о том, какой научный базис лежит в основе предстоящего титанического труда, сравнимого по значимости и масштабу с расшифровкой генома человека и пилотируемой миссией на Марс

Вместо предисловия

Итак, весь мега-проект разбит на 12 подпроектов, которые, вроде бы, и реализуются отдельно – как тут скрестить high-load computing с биологией, например – но тесно связаны и переплетены между собой. Не буду утомлять долгими и нудными рассказами о каждом из проектов. Для этого существуют краткие видео-ролики на официальном Youtube-канале The Human Brain Project (HBP, дополнительную информацию можно почерпнуть на официальном сайте проекта). Общие цели и задачи проекта обозначены в данном видео:



На мой взгляд, одним из базовых, фундаментальных и поэтому важнейшим субпроектом является непосредственное изучение строения нейронов, их контактов и расположения – нейронной сети – в головном мозге (Subproject 1 — The Mouse Brain Subproject), а также визуализация таких сетей для последующего построения моделей и, собственно, претворения этого знания уже в железе, в вычислениях.



Начнём с минутки истории. Точной даты открытия нервных клеток, нейронов, как таковых, пожалуй, привести нельзя. Можно лишь с уверенностью сказать, что к концу 19 века был накоплен достаточный багаж знаний о функционировании нервной ткани, чтобы в 1906 году господа Гольджи и Рамон-и-Кахаль разделили Нобелевскую премию по медицине за работы по структуре нервной системы и классификации нервных клеток.

За последние сто лет мы поняли базовые принципы функционирования нервной ткани, научились даже на относительно примитивном уровне вмешиваться в процессы в ней протекающие (например, обезболивание или операции, затрагивающие непосредственно нервную ткань), но до сего момента большим пятном оставалось то, как конкретно мозг хранит информацию, как она конкретно нейронами обрабатывается, преобразовывается.

Как узнать, откуда и куда идут сигналы в нервной ткани?

Опуская подробности того, что нервные клетки бывают разные, что они по-разному связаны между собой в нервной ткани, выполняют различные функции, можно, однако, выделить общие особенности в строении нейронов:


Модель нейрона. Источник

Основой передачи сигналов служат аксоны, которые как электрические кабели тянутся от одного нейрона к другому и необходимы для передачи импульсов. Теоретически они могут достигать огромной длины – до метра. Прикрепляются же аксоны к другому нейрону с помощью синапса, при этом на конце каждого аксона имеются синаптические пузырьки с нейромедиаторами:


Передача импульсов между двумя нейронами. Источник

Таким образом, перво-наперво нас интересует две вещи: сам аксон и место крепления аксона к следующей нервной клетке, которое может быть определено по синаптическим пузырькам с нейромедиаторами. Для этого нам доступны только два метода, по большому счёту: флуоресцентная оптическая микроскопия и электронная микроскопия.

Предвидя логичный вопрос, а почему я не рассматриваю МРТ (магнитно-резонансную томографию) и функциональную МРТ, то эти методы используются больше для того, чтобы локализовать области, ответственные за те или иные функции (слух, зрение и прочее), но не увидеть отдельные нейроны и их сети.

Далее я буду вести речь о первом субпроекте – изучении мозга мыши, но не человека (к сожалению, этические причины берут верх над разумом). Второй субпроект как раз посвящён использованию МРТ. Таким образом, исследование мозга бедных мышек даёт нам информацию о тонкой структуре мозга, которую затем учёные пытаюсь связать с данными МРТ.

Но вернёмся. В первом случае – случае флуоресцентной микроскопии – необходимо покрасить нейроны с помощью флуоресцентного красителя, а затем получить снимок образца при возбуждении красителя светом определённой длины волны (часто УФ), однако разрешение данного метода позволит увидеть лишь сами аксоны, например, или только дендриты, так как они будут окрашены в разные цвета, но в целом мы с большим трудом сможем определить, как взаимодействуют нейроны.

Несколько примеров:

image
Новая веха — флуоресцентная 3D-микроскопия. Подробнее на русском

Видео на английском о том, как работает флуоресцентная микроскопия в случае с нервными клетками, можно посмотреть тут. К сожалению, нет встраиваемого плеера, поэтому переходите по ссылке, пожалуйста…

Другой метод – это электронная микроскопия, разрешение которой составляет единицы нанометров в случае сканирующей и доли нанометра в случае просвечивающей. Однако эти методы годятся либо для анализа поверхности (сканирующая) или тонких образцов – до 100 нм (просвечивающая). Кажется, что мы попали в тупик, не так ли?!

Загвоздка усугубляется ещё и тем, что вся ткань (мозговая или какая-либо другая) по большей части состоит из трёх основных элементов: углерода, азота и кислорода, то есть лёгких элементов. Контраста между лёгкими элементами – да ещё и перемешанными и равномерно распределёнными – не даст даже самый продвинутый в мире электронный микроскоп. Это физически не возможно.

Долго ли, коротко ли… но учёные нашли выход из этой западни. Какую информацию мы хотим извлечь? Фактически нам необходимо знать расположение мембран клеток внутри ткани, а дальше мы могли бы «восстановить» расположение самих клеток и их «внутренностей». И выход был найден в использовании солей тяжёлых металлов для «подкрашивания» мембран. Например, оказалось, что соединение осмия – OsO4 – очень хорошо осаждается на мембранах клеток или, как это принято называть, концентрируется.

Собственно, дело за малым – визуализировать. Долгое время использовалась только просвечивающая электронная микроскопия, требующая очень тонких образцов, что подвигло инженеров на разработку ультра-крио-микротома, способного отрезать от ткани слой до 30-50 нм. Просвечивающая микроскопия позволяла многим поколениям учёных изучать срезы мозга, дала нам знание о внутреннем строение клеток, применялась для изучения био-толерантности имплантатов, но сегодня данный метод сменила другая, сканирующая электронная микроскопия с 3D реконструкцией.


TEM-микрофотография нейропиля – скопление отростков нервных клеток (увеличение 11 000 крат). Источник

3D микроскопия: новые возможности

Хорошо. Тем или иным способом мы смогли в этом хаосе нервных клеток (а это действительно хаос, ведь по мимо самих нейронов в ткани множество вспомогательных клеток) опознать точки сочленения отдельных нейронов, однако с точки зрения построения нейронных сетей, это фактически бесполезная информация, так как нет возможности увидеть расположение клеток в трёхмерном пространстве, то есть информация о трёхмерной организации скрыта от нас. И тут был найден, я бы сказал, уникальный метод – трёхмерная микроскопия, которая стала возможна лишь в последние несколько лет, благодаря развитию вычислительной мощности компьютеров и обрабатывающей электроники микроскопов.

В центре электронной микроскопии EPFL был успешно применён подход совмещающий в себе полный цикл пробоподготовки мозговой ткани и её анализа с последующей 3D реконструкцией. Данное видео представляет основные этапы эксперимента:


Результаты фиксации образца и замещения воды специальной смолой (1:30 на видео): a. Срез мышиного мозга толщиной 80 микрон, b-c. Вырез и фиксация интересующего участка 3x3 мм, d-f. Финальная обработка с помощью микротома.


Принцип работы сканирующей электронной микроскопии с сфокусированным ионным пучком FIB/SEM (4:00 на видео): a-b. Схематическое расположение FIB-пучка, срезающего часть ткани и электронного пучка, дающего изображение, c-d. SEM-микрофотографии обрабатываемой ткани.



a. Визуализация с помощью FIB/SEM (5:55 на видео) и b-c. Конечный результат (8:00 на видео)

Основное достоинство метода – «срезание» всего лишь 5 нм слоя мозговой ткани сфокусированным ионным пучком (FIB) и последующее сканирование для получения изображения электронным пучком (SEM). Таким образом, мы имеем возможность предельно точно изучить строение нервной ткани, но что более важно – теперь процесс обработки таких стеков (до 2000 изображений) может быть выполнен фактически в автоматическом режиме без участия человека, благодаря использованию специальных алгоритмов анализа изображения, дающих точность реконструкции зачастую не ниже, чем профессионалы-микроскописты.

Группа Марко Кантони (Marco Cantoni) использовала free-ware программу специально разрабатываемую для подобного рода анализа – ilastik. Проект имеет своё представительство на github, поэтому, если кому-то из уважаемых читателей Хабра будет интересно поучаствовать в проекте или предложить свои новые идеи, то не думаю, что разработчики откажут.

В конечном счёте, мы имеем 3D карту кусочка мозга в форме кубика с ребром всего лишь несколько десятков микрон (да, мало, но Москва тоже не сразу строилась), однако не стоит отчаиваться и опускать руки. Мы получили практически то, что хотели – достаточно прецизионно визуализировали в 3D не всю нейронную сеть, конечно, но отдельные нейроны, и на один шажочек приблизились к главной цели. Это по замыслу авторов грандиозного проекта позволит лучше понять принципы организации и работы мозга.


SEM-микрофотографии и 3D реконструкция синоптического контакта и всех мембран внутри нейрона головного мозга мыши. Шкала A – 1 микрон, вставка на изображении А – 5 микрон.

PS: Оглядываясь назад и понимая, какой рывок сделала электронная микроскопия за последнее десятилетие, я хотел бы отметить, что автоматизированные системы, в том числе разработанные в рамках данного проекта, позволят через 5-7 лет обрабатывать гораздо большие массивы данных, и тогда, дело останется за малым – лишь создать 3D карту нашего мозга или «устройства, благодаря которому мы думаем, что мы думаем» (Амброз Бирс).

При подготовке были использованы материалы открытых источников: 1, 2, 3


В статье использованы материалы: habrahabr


Средний балл: 10.0 (голосов 3)

 


Комментарии
Пастух Евфграфович, 13 февраля 2014 08:05 
Красиво!
Дас ис фантастиш!!!:
А можно перенести модель нейрона на модель какой-либо человеческой организации, заменив аксоны типа телеграфной связью. Сколько минимум человек потребуется для такой модели? Или хотя бы для одного синаптического пузырька? Если, конечно, есть хоть какая программа моделирующая его поведение? Хватит ли обычного спортивного стадиона для Neiron-flashmob №1? И почему бы и нет, если мозг муравья состоит всего из где-то 250 тысяч нейронов...
P.S.1 Будет интересно, если окажется, что информация хранится... в поле вокруг 1,2 кг воды 1,5-килограммового мозга. В это даже поверить трудно - 300 грамм сухого остатка имеет ёмкость от 3 до 1000 терабайт и всё работает параллельно?!. Пишут, что ёмкость всего Национального британского архива – 70 терабайт и весит... я - в шоке!
P.S.2 Мозг на примере муравейника: а кто из жителей муравейника знает всё про свой муравейник? А из любой стаи, роя, стада, толпы... шаровой молнии (?!) Как это можно подумать (о необходимости резкого одновременного поворота всей рыбьей стаи), т.е. начать думать до начала химической реакции "думать" в своём собственном мозге (стае)? Т.е либо все заготовки мыслей уже химически "заготовлены" и взаимозависимы в "пробирке" мозга, либо "команда" поступает извне (?)!, либо... она не химической природы(??) Т.е. поля, в т.ч. биосферы, реагирует с ноосферой итд итп.
При этом где там в мозге сидит свой Луций Кассий Лонгин Равилла - «cui bono?»
P.S.1 Утро, полная тишина, глаза ещё закрыты, через 5 секунд зазвенит будильник - откуда я ЭТО знаю?! От туда же, откуда я и моя девушка уже сто раз одновременно(!) пытаемся дозвониться друг до друга: "У тебя всё время занято!!!"
P.S.2 Думаете, что скорость распространения ЭТОГО до сих пор не измерена?
Ошибаетесь - от 12000 до 15000 км/ч (проверено на дальности 1500 км).
Юнусов Иван Сергеевич, 13 марта 2014 15:58 
можно конечно)
Палии Наталия Алексеевна, 14 февраля 2014 13:12 

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Северное сияние
Северное сияние

Сверхчувствительные сенсоры магнитного поля для магнитокардиографии
Группой Магнитооптики, плазмоники и нанофотоники Российского квантового центра (Сколково) совместно с сотрудники кафедры экспериментальной физики и научно-исследовательского центра функциональных материалов и нанотехнологий Физико-технического институту КФУ им. В.И. Вернадского при финансовой поддержке Российского научного фонда выполняется комплексный научный проект «Сверхчувствительные сенсоры магнитного поля для магнитокардиографии».

Выход новой версии программного обеспечения для моделирования физических процессов COMSOL Multiphysics®
От новых решателей и методов до разработки приложений и инструментов развертывания, новая версия программного обеспечения COMSOL® 5.2a расширяет возможности электротехнического, механического, гидродинамического и химического моделирования и оптимизации.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Сюрприз от передопированных купратов или куда пропали электроны? Уроки природы. Скопированные у бабочек гироидные наноструктуры лучше оригинала! Высокотемпературный сверхпроводник и топологический диэлектрик “в одном флаконе”. Эффективная очистка эпитаксиального графена от полимеров. Шестой Евро-азиатский симпозиум “Тенденции в магнетизме” EASTMAG-2016.

Ученые научились убивать рак молибденом и кислородом

Новосибирские ученые начали испытание нового препарата от рака, разработанного на основе молибденовых кластеров.

«Лаборанты» или «творцы»?
Гудилин Е.А.
«Да как эти нанотехнологии можно увидеть?», - спросила нас как – то замечательная женщина, настоящий творец будущего молодых талантов в нашей стране.
«И правда, как их увидеть, а главное, зачем?”, - подумалось мне, наивному, а потом осенило: ведь если не увидеть, то значит, и не показать, а поэтому их как бы и нет.

Лекция 10. Переходные металлы
Еремин Вадим Владимирович

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.