Вращающийся глобус и «лоскутное одеяло» изображённых на нём стран - такая карта помогает нам понять, где именно мы находимся, а также то, что государства и народы отличаются друг от друга и имеют весьма конкретные границы. Теперь подобная карта появилась и у внешнего слоя мозга — его коры, на которой каждое полушарие оказалось разделённым на 180 отдельных «стран». Причём, девяносто семь областей из них никогда не описывались ранее, несмотря на явные различия в структуре, функции и значительную связь с соседями. Новая карта мозга опубликована в Nature.
Иллюстрация: M. F. Glasser, D. C. Van Essen
«Каждая отдельная область на карте содержит клетки со сходными структурой, функциями и взаимосвязями. Но эти «регионы» отличаются друг от друга подобно разным странам и имеют чётко определённые границы, а также уникальную культуру»,
— отмечает Дэвид Ван Эссен (David Van Essen), невролог Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури, который курировал исследование.
Нейрофизиологи давно стремились разделить мозг на мелкие части, чтобы лучше понять, как он работает в целом. Одна из самых известных карт мозга разделила кору на 52 области, основанные на различном расположении клеток в ткани (теперь эти зоны известны как поля Бродмана). Более современные карты основывались на данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) — например, функциональной МРТ, которая измеряет приток крови в ответ на различные умственные задачи.
Однако, до сих пор большинство таких «картографических» исследований проводились с помощью лишь одного типа измерений, что, как отмечает Томас Йео (Thomas Yeo), нейробиолог из Национального университета Сингапура, не только не даёт полное представление о работе всего мозга, но и может ввести исследователей в заблуждение. Новая карта основана на многократных МРТ измерениях, которые максимально конкретизируют внимание на корковых областях и поэтому помогают наиболее хорошо их оценить.
Разделяй и властвуй
Чтобы построить карту, группа учёных под руководством нейробиолога Мэтью Глассера (Mathew Glasser) из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе использовала изображения, полученные у 210 здоровых молодых людей, которые участвовали в проекте «Коннектом человека» по картированию структур мозга и их функциональных связей. В исследование включили информацию о толщине коры, функциях мозга, аксональных связях между регионами, о топографической организации клеток в ткани и содержании миелина — вещества, которое отвечает за электроизоляцию аксонов.
Глассер зонировал кору головного мозга по принципу значительных изменений в двух или более свойствах, которые использовал, чтобы «расставить» границы на карте. Обработка данных велась с использованием алгоритмов машинного обучения.
«Если медленно «ползать» по поверхности коры, то в какой-то момент вы найдёте такое место, где свойства начнут меняться, или даже такое, где обнаружатся несколько независимых изменений на одном и том же месте»,
— отметил исследователь.
Методика подтвердила наличие 83 известных ранее участков мозга и выявила ещё 97 новых. Учёные проверили карту, наблюдая за работой этих регионов у 210 человек. Они обнаружили то, что карта достаточно точная, но размер её зон несколько варьирует от человека к человеку. Эти различия помогут понять по-новому индивидуальную изменчивость когнитивных способностей, а также выявить риски развития заболеваний.
Грани достижимого
«Несмотря на то, что в центре внимания этой работы лежало создание красивого и усреднённого шаблона мозга, он действительно открывает возможность для дальнейшего изучения уникальных сочетаний индивидуальных особенностей с интеллектуальными и творческими способностями, то есть того, что делает каждого из нас уникальным»,
— говорит Рекс Юнг (Rex Jung), нейропсихолог из Университета Нью-Мексико в Альбукерке.
Но при всех очевидных плюсах минусы также есть: карта ограничена в нескольких важных аспектах. Самое важное, она очень немногое рассказывает о биохимических основах работы мозга или об активности отдельных нейронов, их небольших групп.
«Это похоже на фантастическую карту Google «Планета Земля», которая может даже продемонстрировать ваше район города или даже задний двор вашего дома. Тем не менее, вы не можете рассмотреть, как передвигаются ваши соседи, куда они собираются переместиться и какая у них работа»,
— говорит Юнг.
Глассер же предполагает, что этот проект станет версией 1.0.
«Это не означает, что этот вариант окончательный, но то, что мы получили сейчас, гораздо лучше, чем то, что мы имели прежде»,
— резонно замечает учёный.
A multi-modal parcellation of human cerebral cortex
Matthew F. Glasser, Timothy S. Coalson, Emma C. Robinson, David C. Van Essen et all.
Nature (2016) doi:10.1038/nature18933
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.
Активация (оранжевым и красным) и инактивация разных участков коры левого полушария при прослушивании историй. (Фото Matthew F. Glasser, David C. Van Essen.)
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.)
Новая карта мозга, построенная по данным МРТ. (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, поставившую под вопрос тысячи и тысячи результатов МРТ-сканирования – будем надеяться, что новая карта коры от этого разоблачения не слишком пострадает.
Читайте также:
Почему фМРТ видит то, чего нет