Как устроен мозг: 3D-карта участка в 1 мм³ с каждой клеткой

Итак, команда исследователей совершила нечто, напоминающее научную фантастику. Они создали невероятно детальную 3D-карту одного кубического миллиметра человеческой коры — той самой «мыслящей» оболочки мозга. Всего один миллиметр, а сколько открытий!

Эта трёхмерная реконструкция вместила в себя около 57 тысяч клеток и 150 миллионов точек их контактов — синапсов. И вся эта информация заняла 1,4 петабайта памяти. Попробуйте представить себе этот масштаб.

Как разрезали мозг на атомные слои

С чего всё началось? С крошечного образца ткани, взятого у 45-летней пациентки во время операции по поводу эпилепсии. Кусочек этот был из коры головного мозга — командного центра, отвечающего за всё, от решения уравнений до ощущения запаха свежего кофе.

Образец обработали консервантами и «проявили» солями тяжёлых металлов, чтобы клеточные структуры стали чётче видимыми под микроскопом. Дальше — самое тонкое: нейробиолог Джефф Лихтман с коллегами нарезали этот кусочек на невероятные 5000 тончайших пластинок. Толщина каждой — всего 34 нанометра. Это уже уровень, доступный для электронных микроскопов.

А потом в дело вступили специалисты из Google под руководством Вирена Джайна. Они научили алгоритмы искусственного интеллекта собирать эту гигантскую мозаику из микроскопических снимков в единое, бесшовное трёхмерное целое. Компьютер склеил все слои, и перед учёными предстал целый мир.

Изучая эту модель, исследователи наткнулись на удивительные вещи. Например, на нейроны, которые образуют друг с другом не одну-две связи, как это обычно бывает, а до пятидесяти! «Это полный сдвиг парадигмы», — комментирует Джайн. А ещё они увидели нейроны с причудливыми «усиками», которые закручивались в узлы и замыкались сами на себя. «Никто и никогда раньше такого не видел», — добавляет учёный.

Были там и пары нейронов, словно отражённые в зеркале. Зачем мозгу такие симметричные близнецы? Пока загадка. Наша нервная система явно куда причудливее, чем мы думали.

Критически важная работа для всех

Карта получилась настолько огромной, что вручную проверили лишь крошечную её часть. Ошибки при склейке такого количества изображений неизбежны. «Мы вручную проверили сотни клеток, но это лишь малая доля от 57 тысяч», — признаётся Джайн. И здесь он делает по-настоящему важное заявление: учёные надеются, что нейробиологи со всего мира помогут им проверить и «откорректировать» отдельные участки этого атласа, которые интересны именно им. По сути, они открывают доступ к этому сокровищу данных для всего научного сообщества, превращая его в коллективный проект. Команда планирует создать подобные карты и для других образцов, но ждать полного атласа всего мозга, по их словам, нам придётся ещё несколько десятилетий.

Зачем это всё нужно? Глубже поняв архитектуру коры, мы сможем найти ключи к лечению таких болезней, как шизофрения, депрессия или Альцгеймер. «Эта карта предоставляет беспрецедентные детали, которые могут раскрыть новые правила нейронных связей и помочь расшифровать внутреннюю работу человеческого мозга», — говорит нейробиолог Ёнсу Ким. Мы стоим на пороге новой эры в понимании самих себя. И эта карта — наш первый, робкий шаг вглубь космоса, который находится у нас в голове.