Себастьян Сеунг - Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть

… понадобились бы два полных коннектома C. elegans … Как я уже говорил, ученым пришлось собирать такой коннектом по кусочкам, используя снимки тканей, взятых у разных червей. Поэтому опубликованный коннектом червя C. elegans представляет собой, по сути, мозаику, а не картину нервной системы отдельного червя. Выходит, у нас нет даже одного полного коннектома индивидуального червя, что уж говорить о двух.

Дэвид Холл и Ричард Рассел … Hall, Russell, 1991.

… методы, которыми выводят чистопородных собак и лошадей . Обычно лабораторных животных разводят именно методом инбридинга, чтобы добиться их почти полной генетической идентичности, благодаря чему должна повышаться воспроизводимость экспериментальных результатов. Хорошо известно, что близкородственное скрещивание может увеличивать вероятность появления двух дефектных копий гена, а так называемые рецессивные заболевания подчиняются правилу «два инсульта – и ты в могиле». Вот почему многие чистопородные псы мучаются генетическими заболеваниями, а европейские королевские династии на протяжении многих веков страдали гемофилией. Поскольку инбридинг, судя по всему, делает лабораторных животных «тупее», результаты опытов, проводимых на них, не всегда могут быть применимы к их диким собратьям.

… понадобятся сложные вычислительные методы … Основная вычислительная проблема геномики – нахождение соответствий между двумя цепочками ДНК. Проблему решают, применяя метод динамического программирования с быстрой аппроксимацией: этот подход разработали еще в сороковых-пятидесятых годах прошлого века для решения задач с одномерными или древовидными структурами. Решение аналогичной задачи сопоставления для двух коннектомов – трудная вычислительная проблема, которая будет посложнее сравнения геномов. Определение, одинаковы ли два коннектома, является проблемой графического изоморфизма, а для нее пока не создан полиномиальный алгоритм пошагового решения, позволяющий получить это решение за приемлемое время. Определение, является ли один коннектом частью другого, является проблемой субграфического изоморфизма, а она, как выражаются специалисты, NP-полная [24].

Серое и белое вещество различали еще в античности … Живая ткань мозга не серая и не белая, а розоватая. Серый и белый – цвета мертвой ткани мозга, хранящейся в особых условиях.

… белое вещество ( располагающееся под поверхностью мозга ) – это одни только « провода ». Уже Кахаль наблюдал исключения из этого правила – так называемые «промежуточные нейроны» (Kostovic, Rakic, 1980).

… из основания пирамиды … Эта мысленная картина может немного запутать. Тело клетки напоминает наконечник стрелы, указывающий в направлении, противоположном информационному потоку, идущему по аксону.

Совокупная длина этих аксонов составляет примерно 150 тысяч километров … Эта грубая оценка сделана исходя из предположения, что плотность аксонов в белом веществе головного мозга повсюду такая же, как в мозолистом теле, т. е. около 380 тысяч аксонов на квадратный миллиметр (Aboi tiz et al., 1992). При этом предполагается, что общий объем белого вещества составляет около 400 кубических сантиметров (Rilling, Insel, 1999).

Миелинизация ускоряет распространение нервных импульсов … Миелин служит изолятором, препятствующим утечке электрического тока за пределы аксона. Такое изолирование резко увеличивает скорость распространения электрических сигналов. По миелинизированным аксонам они несутся в десять (или даже больше) раз быстрее, чем по аксонам, не покрытым миелином. Миелиновая оболочка – выросты глиальных клеток. Так называемые клетки Шванна миелинизируют аксоны периферической нервной системы (ПНС), а олигодендроциты миелинизируют аксоны ЦНС.

… аксон входит в какой-то участок серого вещества и разветвляется там … Если аксон не разветвляется в данной области, он, как правило, проходит сквозь нее, не образуя синапсов.

… наше собственное белое вещество пока остается почти совершенно неизученным . Раньше белое вещество мозга животных изучали, вводя вещество-метку. Такие вещества захватываются нейронами в точке введения и затем по аксонам разносятся в другие участки мозга. Получая картину распределения вещества-метки, можно выявить, какие участки мозга связаны с местом введения вещества. Данные таких экспериментов обобщили Феллеман и ван Эссен (Felleman, Van Essen, 1991) в попытке картографировать зональный коннектом для мозга обезьяны (см. рис. 51). В рамках проекта «Архитектура мозга», которым руководит Парта Митра (Partha Mitra), ученые регулярно применяют введение таких меток, стремясь построить полную карту дальних связей мозга грызуна. Однако метку следует вводить, пока мозг еще жив, поскольку ее перенос зависит от активных процессов в живых нейронах. Таким образом, введение метки – инвазивный метод, который применяют лишь при изучении мозга животных. Для человеческого мозга, изучаемого посмертно, этот метод работать не будет. (Некоторые липофильные красители распространяются и без таких процессов активного переноса, но эти вещества трудно использовать в качестве меток для мертвого мозга, поскольку их распространение идет слишком медленно.) Мое предложение – использовать для этих целей серийную оптическую микроскопию, которая не требует применения меток. Не будем окрашивать небольшой пучок аксонов: окрасим все миелинизированные аксоны белого вещества и сделаем их снимки под микроскопом. Такой метод, вероятно, можно будет применять для исследования умершего человеческого мозга. Более того, высокое пространственное разрешение оптической микроскопии позволит избежать двояких толкований результатов, которое зачастую возможно при дМРТ. Мой вариант служит примером «массированной реконструкции», при которой полная карта строится по одному-единственному мозгу, а не путем комбинации данных, полученных при изучении множества мозгов.

Диффузионная МРТ . Метод основан на измерении скорости диффузии молекул воды в мозгу. Эта скорость зависит, в частности, от направления движения молекул. Так, диффузия воды вдоль осей аксонов происходит быстрее, чем в перпендикулярном направлении.

… пересмотреть речевую модель Брока – Вернике . Fried erici, 2009.

… микроскопия и МРТ будут по-прежнему идти рука об руку, дополняя друг друга. Мы говорили в основном о сравнении коннектомов различных людей с помощью микроскопии. Такой подход дает «снимки» коннектомов в данный момент времени. Сопоставление этих снимков может кое-что поведать нам о том, как мозг меняется из-за определенных вмешательств в его работу. (Вспомните: эксперименты Розенцвейга с обогащением среды и опыты Антонини и Страйкера по монокулярной депривации зрительной зоны V1 предполагали сравнение разных животных или их групп.) Но ведь мы можем захотеть провести сравнение коннектомов отдельного существа в разное время. К сожалению, пока не придумано подходящего способа это сделать. Неинвазивные методы вроде МРТ позволяют отслеживать эволюцию коннектома во времени, но не обеспечивают должного разрешения, чтобы наблюдать отдельные нейроны. Таким разрешением обладают некоторые виды микроскопии, и существуют способы усовершенствовать процесс получения «моментальных снимков» с их помощью – обращая особое внимание на изменения в коннектоме. Уже сейчас есть методы окрашивания, делающие видимыми недавно укрепившиеся синапсы, как и методы окрашивания, делающими видимыми недавно возникшие нейроны. Важно разработать способы помечать недавно возникшие синапсы , как и те места, где синапсы недавно исчезли. С помощью таких изображений мы сможем не только количественно оценить баланс создания и исчезновения синапсов, но и пойти дальше, поскольку каждый возникающий и исчезающий синапс можно рассматривать в контексте всей нейронной сети. Мы будем точно знать, каким образом возникновение и исчезновение синапсов изменяет схему нейронных связей: это куда лучше грубой оценки общего числа синапсов. Возможно, всё это позволит нам обнаруживать даже самые тонкие изменения коннектома, а также выяснять, влияют ли на эти изменения на повседневный процесс обучения.