Гарвардский университет и Google Research опубликовали чрезвычайно детальную 3D карту кубического миллиметра человеческого мозга, запечатлев тысячи клеток и миллионы синапсов внутри образца мозговой ткани размером с маковое зёрнышко.
Утверждение, что человеческий мозг является одним из сложнейших структур во Вселенной, определённо не является преувеличением. Внутри черепной коробки уживаются 86 миллиардов нейронов, соединённые друг с другом 100 триллионами синапсов. Из этой невероятной клеточной «солянки» каким-то чудным образом формируется всё наше естество – мысли, эмоции, надежды, воспоминания, предпочтения, привычки. Какова же ирония в том, что мозг при всей своей «вычислительной мощности» не способен в полной мере себя понять и осознать. Впрочем, это не останавливает учёных от попыток двигаться в направлении познания человеческого мозга. Одной из множественных граней этой области исследований является коннектомика, которая охватывает картографирование и анализ архитектуры нейрональных связей.
Недавно команда исследователей из Гарвардского университета и Google Research совершила крупный прорыв в сфере коннектомики, создав самую большую базу данных нейрональных связей головного мозга человека. Впрочем, если быть точнее, то опубликованная ими невероятно детальная 3D карта охватывает даже не весь мозг, а всего лишь один кубический миллиметр мозговой ткани. Несмотря на крошечные размеры, такой образец включает в себя огромный мир из 57 000 нейронов, 150 000 000 синапсов и 230 миллиметров кровеносных сосудов.
Столь детальное картографирование одного кубического миллиметра мозговой ткани сгенерировало 1,4 Петабайта (1,4 миллиона Гигабайтов) данных. Сколько это? Давайте вспомним, что стандартный двусторонний Blu-Ray диск может вмещать до 50 Гб данных. Чтобы уместить всю карту участка мозга размером с маковое зёрнышко на подобный носитель, понадобится около 28 000 дисков. Толщина Blu-Ray диска составляет 13 мм, а значит высота всей этой стопки составит 364 метра, что выше Статуи Свободы, установленной на вершине Эйфелевой башни. Человеческий мозг является носителем с самой высокой плотностью хранения данных – 2,5 Петабайта. Это значит, что даже в самом мозге «закончится память», если его загрузить описанием всего 1,5 мм3 его собственных структур. А для картографирования всего головного мозга человека понадобится около 1 Эксабайта памяти.
В рамках исследования учёные выбрали в качестве образца мозговых тканей участок из переднего отдела височной доли, который отвечает за семантическую память. Следующие по джунглям нейронов и синапсов этого участка электрические сигналы позволяют нам сохранять знания об объектах, фактах, словах и других людях. В опубликованной учёными 3D карте эти структуры, закодированные кодом по типу и размеру, действительно напоминают густой тропический лес. Тем удивительнее понимать, что при взгляде на фрагменты этой карты такие же нейроны в нашем собственном мозге получают сигналы, впервые знакомясь со своим внешним видом.
Исследуя образец, учёные обнаружили не только ожидаемые для этого участка головного мозга структуры и их невероятно продуманную взаимосвязь, но также несколько «сюрпризов», которые им не приходилось видеть ранее. К примеру, некоторые кластеры нейронов представляли собой абсолютно точное зеркальное отражение соседей. В то же время в других кластерах исследователи заметили так называемые «аксоновые завитки», странные запутанные петли аксонов, длинных отростков нервной клетки. По мнению учёных, подобные структуры могут быть как абсолютно случайной и безвредной находкой, так и новым симптомом эпилепсии, ведь образец мозга был взят у пациента с этим заболеванием.
Стоит отметить, что эта карта – важный шаг навстречу всеобъемлющего понимания человеческого мозга. Пока что исследователи смогли полностью картографировать лишь нервную систему нематоды Caenorhabditis elegans и половину мозга дрозофилы фруктовой. Однако, безусловно, конечной целью коннектомики является именно полная карта головного мозга человека.
Источник изображений: Google Research & Lichtman Lab, D. Berger