Карта мозга человека подробная. Представлена самая подробная карта коры мозга с более чем сотней новых областей. Общее описание мозга
Новая структурно-функциональная карта делит кору больших полушарий на 180 участков.
Кора мозга устроена чрезвычайно сложно - разные её участки отличаются друг от друга как по функциям, так и по клеточному устройству. Естественно, тем, кто начал заниматься мозгом, очень скоро понадобилась «карта местности» для мозговой коры, и своеобразным золотым стандартом тут стала система цитоархитектонических полей, опубликованная немецким неврологом Корбинианом Бродманом ещё в 1909 году.
Новая карта мозга, построенная по данным МРТ. (Фото Matthew F. Glasser, David C. Van Essen.)
Активация (оранжевым и красным) и инактивация разных участков коры левого полушария при прослушивании историй. (Фото Matthew F. Glasser, David C. Van Essen.)
Эти поля отличаются по морфологии клеток и по тому, как клетки в них уложены друг относительно друга (то есть по клеточной цитоархитектонике). Поля Бродмана оказались необычайно полезны, но всё же у ни были некоторые существенные минусы.
Во-первых, сам Бродман построил свою карту на материале всего одного мозга, взятого от умершего человека. В дальнейшем строение полей коры уточняли уже на более разнообразном материале, и к чистой морфологическим параметрам добавились функции: за что отвечает один участок, за что другой, и т. д. Однако чем больше нейробиологи узнавали о мозге, тем ясней становилось, что кору полушарий нужно картировать заново, используя несколько признаков одновременно.
За эту работу взялись Мэтью Глассер (Matthew F. Glasser ) и его коллеги из Вашингтонского университета в Сент-Луисе , Оксфорда, Университета Миннесоты и Университета Неймегена. Они взяли массив данных магнитно-резонансной томографии (МРТ), накопленных в рамках проекта Коннектом Человека (напомним, что цель проекта Коннектом Человека в том, чтобы полностью описать структуру связей в нашем мозге).
Исследователей интересовали результаты структурной МРТ, которая позволяет установить, например, толщину тех или иных участков коры и другие подобные особенности, и функциональной МРТ, с помощью которой можно увидеть функцию той или иной зоны мозга. При этом мозг во время сканирования может отдыхать, и тогда мы различим его базовую функциональную топографию, или же выполнять какое-то задание - и тогда мы увидим, какие участки работают над конкретной процедурой. Для построения новой карты коры использовали данные фМРТ, полученные при выполнении семи заданий, от аудиотестов до математических задач.
Таким образом, алгоритм, который искал в коре функциональные поля, должен был оперировать сразу несколькими параметрами, структурными и функциональными. В итоге удалось обнаружить целых 180 полей в каждом полушарии, 83 из которых ранее уже были описаны в литературе, а вот 97 оказались доселе неизвестными.
Алгоритм работал с результатами МРТ-сканирования 210 добровольцев проекта Коннектом Человека, и сразу же возникал вопрос, удастся ли определить те же зоны у других людей? Не получится ли так, что карта из 180 полей имеет смысл только для тех двух сотен человек, на которых обучали вышеупомянутый алгоритм?
Но когда попытались проанализировать набор МРТ-данных от «посторонних» людей, то у них зоны коры определялись почти так же. Более того, авторы работы также смогли определить индивидуальные отличия между теми или иными участками. (На всякий случай уточним, что индивидуальные отличия не означают, что мозг у одного устроен так, а у другого - иначе, просто зоны могут работать с разной эффективностью и быть в раной степени развитыми; аналогичным образом, если мы видим рядом высокого человека и малорослого, мы не говорим, что у них разный план строения.)
Очевидно, что новая карта (описанная в статье в Nature ) пригодится как в фундаментальной науке, так и в медицине. Правда, и у неё тоже есть свои минусы, связанные, в первую очередь, с тем, что у МРТ всё-таки недостаточно высокое пространственное разрешение, то есть кора мозга может на самом деле делиться на ещё большее число полей.
С другой стороны, предстоит ещё выяснить, как устроены новые 180 зон на уровне клеток, синапсов и их молекулярных характеристик. Ну и, наконец, не будем забывать про недавнюю работу, - будем надеяться, что новая карта коры от этого разоблачения не слишком пострадает.
Коры головного мозга, составленная Дэвидом Ван Эссеном и Мэттью Глассером из Вашингтонского университета в Сент-Льюисе с помощью специалистов из ряда других институтов, подтвердила существование 83 ранее известных зон. Кроме того, ученые обнаружили 97 новых областей коры головного мозга человека, ответственных за сенсорную и моторную активность, язык и логические рассуждения.
Как и географам, нейрофизиологам для работы очень важно обладать хорошей картой, чтобы совершенствовать свое мастерство и лучше понимать то, с какой именно проблемой они имеют дело. Карта кортикальной области мозга наглядно демонстрирует, какие зоны несут ответственность за конкретные когнитивные функции и как они взаимодействуют друг с другом.
Проблема заключается в том, что этот механизм устроен куда сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Мозговые зоны различаются по клеточной структуре и белковой плотности, химическому составу нейромедиаторов и строению нейронов. На изучение подобных анатомических и физиологических особенностей часто нужны не только деньги и оборудование, но и специальное разрешение, которое не так просто получить — ведь речь идет об исследованиях и испытаниях на живых людях.
По словам Глассера, их проекту помогло удачное стечение обстоятельств. «Проект Human Connectome начался еще в 2010 году, и Национальные институты здравоохранения США дали нам два года на работу по совершенствованию методов сбора показателей МРТ и анализа данных. Это позволило нам получить гораздо более полную и качественную информацию, чем обычно», рассказывает он.
Проект во многом уникален и тем, что в нем участвуют эксперты нейровизуализации со всего мира. Используемое ими программное обеспечение также не имеет аналогов, а в качестве системы исследования выступила связка из методов архитектурного, функционального и топографического анализов. Этот алгоритм в итоге и позволил идентифицировать области, обычно остававшиеся невидимыми для исследователей.
Некоторые из 180 зон выполняли очевидную функцию, в то время как предназначение других было не столь очевидно. Например, область 55b, по данным Глассера, принимает участие в языковых процессах. Примерно у 90% здоровых молодых людей этот участок имеет типичную картину связей со соседними областями. Однако у некоторых участников исследования, общее число которых было 210, отображаются совершенно иные свойства, в том числе удивительная связь с зонами, задействованными в глазодвигательных процессах.
Помимо теоретических исследований, новые карты также помогут и хирургам, планирующим операции на головном мозге. Глассер и команда надеются, что их работа поможет в будущем изучить эффекты, оказываемые на клетки мозга старением, чтобы решать возрастные проблемы как можно эффективнее.
В течение многих лет медики использовали надёжные схемы тела и его органов - систем кровоснабжения, пищеварения, нервной системы и тому подобных, но среди них не было точной карты коры головного мозга. В ходе последнего десятилетия учёные добрались и до столь сложного органа как мозг и . Но техника совершенствуется с каждым годом, а значит, и результаты новых исследований становятся лучше прежних.
Теперь же международная команда нейробиологов, компьютерных специалистов и инженеров заявила , что они составили наиболее точную карту коры головного мозга.
Отмечается, что в процессе картографирования исследователи обнаружили порядка ста ранее неучтённых областей морщинистого наружного слоя органа, который называется корой головного мозга или серым веществом.
До появления новой карты насчитывалось 83 известные зоны в каждой половине мозга, теперь же количество таких областей увеличилось до 180, говорят исследователи.
Отмечается, что исследователи опирались на данные и методы, созданные в ходе проекта Human Connectome Project . Тогда учёные использовали мощную МРТ-аппаратуру для картографирования мозга 1200 молодых людей обоих полов.
Учёные, составляя новую карту коры мозга, объединили данные от 210 здоровых людей. Исследователи сочетали измерения плотности коры мозга, а также другие параметры. МРТ сканировал одновременно и головной мозг человека в состоянии покоя, и при выполнении простых заданий, например, при прослушивании сказок.
Затем исследователи протестировали их новое программное обеспечение на группе испытуемых и обнаружили, что оно смогло точно определить соответствующие регионы в мозге даже несмотря на индивидуальные особенности.
"Ситуацию можно сравнить с тем, что происходит в астрономии, где наземные телескопы производили относительно размытые изображения неба до появления более современной адаптивной оптики и космических телескопов", — говорит автор исследования Мэттью Глассер (Matthew Glasser) из Медицинской школы Вашингтонского университета.
В течение долгого времени учёные стремились разграничить различные зоны мозга и их функции, но на помощь в этом приходили лишь предположения и гипотезы. В 1800-е годы так называемые френологи поделили орган на разделы, которые контролируют определённые чувства и черты характера.
Так, область, отвечающая за деструктивность находилась где-то над ухом человека, а черта "родительской любви" на затылке. В настоящее время эта область исследований давно заброшена, и другие методы изучения организма человека продвинулись куда дальше в познании мозга.
Так, например, в 1909 году немецкий невролог Корбиниан Бродман опубликовал, пожалуй, наиболее известную карту мозга, основанную на открытии, которое позволило различить области, состоящие из различных типов клеток.
Карта Бродмана, которая разделила кору головного мозга на несколько десятков зон, используется и сегодня. Так, что учёным уже было ориентировочно известно, какие регионы контролируют, скажем, зрение, слух или определяет аспекты личности.
Но новая карта "должна помочь учёным объяснить, как развивалась кора мозга и роль её специализированных областей в здоровье и различных заболеваниях", говорит Брюс Катберт (Bruce Cuthbert) из Национальных институтов здоровья США (NIH). Именно NIH финансировал последнюю работу, результатом которой и стала самая точная карта.
Учёны уверены, что новая карта станет большим преимуществом для исследователей, изучающим такие расстройства как , шизофрения, слабоумие или эпилепсия. Специалисты смогут использовать карту для понимания особенностей мозга разных пациентов с такими заболеваниями и сопоставлять с данными здоровых людей. Кроме того, карта поможет ускорить расшифровку механизмов работы здорового мозга.
Wikimedia Commons
Американские ученые составили полный атлас человеческого мозга, имеющий самое высокое разрешение на сегодняшний день. Его интерактивная электронная версия доступна на соответствующем ресурсе, а печатная заняла весь текущий выпуск .
Детальное описание анатомической и микроскопической структуры мозга необходимо для понимания его развития, функций и заболеваний. Однако имеющиеся атласы человеческого мозга гораздо менее подробны (в плане как полноты, так и разрешения), чем атласы мозга червей, мух или птиц. Причина этого заключается в технических ограничениях, вызванных размером и сложностью устройства мозга человека.
Для создания своего атласа сотрудники Алленовского института исследований мозга применили ряд лучевых и гистологических методик визуализации. На первом этапе работы они провели магнитно-резонансную и диффузионно-тензорную томографии цельного мозга, извлеченного при вскрытии 34-летней женщины. После этого из мозга приготовили микросрезы целых полушарий и провели их микроскопию по веществу Ниссля и с иммуногистохимическим окрашиванием, для чего ученым пришлось разработать специальный сканер. В итоге получилось 1356 крупноформатных изображений с разрешением в микрометр на пиксель, что соответствует размерам одной клетки. Использование одного и того же мозга позволило интегрировать полученные при томографии и микроскопии данные в целостный источник информации.
Интерфейс атласа
Allen Brain Atlas
Allen Human Brain Reference Atlas содержит информацию о 862 отделах мозга, в том числе 117 пучках белого вещества и нескольких структурах, не выделенных ранее. Описание новой коры (неокортекса) проведено по отдельным извилинам, бороздам и модифицированным цитоархитектоническим полям Бродмана . Оно позволяет связать анатомические и клеточные особенности этих структур.
Интерактивный цифровой атлас также интегрирован с созданным в Алленовском институте ранее атласом экспрессии генов в мозге.
«Атлас представляет собой отход от классических изданий в плане формата публикации. На сегодняшний день он один совмещает строгость рецензируемой научной публикации с представлением в форме книги и общедоступного интерактивного онлайн-ресурса», - заявил участник проекта и главный редактор Journal of Comparative Neurology Патрик Хоф (Patrick Hof).
Allen Human Brain Reference Atlas предназначен для неврологов, нейробиологов, ученых других специальностей и просто любителей науки. Авторы планируют дополнить его картами мозга, полученными в ходе функциональных и цитологических исследований. Такими дополнениями могут послужить, например, детальная карта функциональных участков коры мозга, с применением машинного обучения, и карта семантического словаря мозга, с помощью функциональной МРТ.
Недавно японским ученым впервые создать полную модель нейрональных связей (коннектома) одного полушария мозга плодовой мухи дрозофилы.
Даже самые простые сети нейронов в головном мозге состоят из миллионов соединений, и изучение этих огромных сетей имеет решающее значение для понимания того, как работает мозг. Ученые уже давно пытаются изучить микроскопические процессы, стоящие за теми или иными реакциями мозга на внешние возбудители.
В последнем выпуске журнала Nature была опубликована статья, авторы которой сделали важный шаг к пониманию работы нейронных сетей. Международная группа ученых провела наиболее полное на сегодняшний день исследование сети нейронов коры головного мозга, в которой происходит активная обработка внешних сигналов-возбудителей. В результате было обнаружено несколько важных особенностей того, как организованы нейронные сети. По сути,
ученые создали первую в мире карту нейронов мозга, на которой совмещена информация об электрической мозговой активности и схема физического соединения нейронов между собой.
До сих пор на протяжении десятилетий ученые исследовали эти области по отдельности, будучи не в состоянии связать их между собой.
Так, совсем недавно было опубликовано , авторы которого при помощи метода магнитно-резонансной томографии построили карту нейронных связей в головном мозге человека и выяснили, как образ жизни влияет на количество этих связей. Тем не менее в этой работе была отражена лишь физическая сущность нейронных связей.
В текущей работе ученые исследовали зрительную кору мозга мыши. Сначала они определили, какие нейроны откликаются на определенные зрительные стимулы, например на вертикальные или горизонтальные полосы на экране. Затем были получены детальные изображения срезов головного мозга с миллионами интересующих нейронов и синапсов — контактов между нейронами — или получающими нейронный сигнал клетками другого типа. В дальнейшем по этим плоским изображениям была построена трехмерная карта нейронных сетей мозга.
По словам ученых, уникальность их исследования состоит в том, что в своей работе они совместили методы оптической томографии и электронной микроскопии. До сегодняшнего дня макроскопические методы изучения мозговой активности и микроскопические методы изучения нейронов и их синапсов, которые имеют размеры порядка нанометров, были не связаны между собой. Между тем очень важно понять, какие именно микроскопические механизмы стоят за процессами активности мозга.
«Мы получили микроскопические данные беспрецедентного масштаба и детализации, — говорит один из авторов работы, Р. Клэй Рид из Института наук о мозге Аллена (США).
— Сначала мы определяли, какую функцию выполняет конкретный нейрон, а затем смотрели, как он соединяется с похожими нейронами и с нейронами другого типа».
«Это исследование стало кульминацией исследовательской программы, которая началась почти десять лет назад, — добавляет Клэй Рид. — Мозговые сети слишком велики и сложны для понимания по частям, поэтому мы использовали методы высокой пропускной способности для сбора огромных массивов данных мозговой активности и взаимосвязей нейронов».
Анализируя полученные данные, ученые пришли к следующим выводам. Во-первых, они подтвердили гипотезу о том, что нейроны, отвечающие за один вид активности, чаще связаны друг с другом, чем нейроны, выполняющие разные функции. Во-вторых, соединения между такими нейронами прочнее, несмотря на то что они перепутаны со многими другими нейронами, которые выполняют совершенно разные функции.
«Мы обнаружили первые свидетельства наличия модульной архитектуры сети нейронов коры головного мозга и определили структурную основу функциональной связи между нейронами,
Несмотря на то что это исследование является знаковым моментом нашей работы, это только начало. Теперь у нас есть инструменты для того, чтобы создать более точную компьютерную модель мозга, зная связи между схемами соединений нейронов и сетевых вычислений». «Это как симфонический оркестр, музыканты которого сидят в случайном порядке, — добавляет Клэй Рид. — Если вы будете слышать только тех музыкантов, которые сидят рядом с вами, в этом не будет никакого смысла. А вот если вы услышите всех, вы поймете музыку — она даже станет проще».
Авторы работы уверены, что их достижение окажет огромную помощь всем ученым, которые занимаются исследованиями мозга и созданием искусственных нейронных сетей, — отдел науки «Газеты.Ru» уже о том, как суперкомпьютер позволил ученым смоделировать работу тысяч нейронов. Однако для того, чтобы успешно симулировать работу мозга, необходимо лучше понять, как работают нейронные сети в реальных живых организмах.
