ТУР ПО МИРУ
Крупнейшая на сегодняшний день 3D-реконструкция кубического миллиметра человеческого мозга, которая охватывает все шесть основных слоев, была создана учеными из Гарвардского университета в сотрудничестве с командой Google. В этой детализированной трехмерной модели длиной 3 мм можно увидеть отдельные возбуждающие нейроны, которые имеют толщину в поперечнике от 15 до 30 мкм, а также связи между ними. Подробности были опубликованы в журнале Science.
Credit: Alexander Shapson-Coe et al. / Science 2024
Не так давно мы написали про самый подробный коннектом мозга живого существа, а теперь хотели бы рассказать про подобную работу, которая появилась в одном из крупнейших научных журналов весной прошлого года.
Фрагмент коры был получен во время операции у 45-летней женщины, страдающей лекарственно устойчивой эпилепсией. В ходе операции удалили участок медиальной височной доли, где находился эпилептический очаг, а также часть непораженной левой передней височной доли. Этот участок размером 2,5 на 0,8 см разделили на образцы толщиной 300 микрометров с использованием высокоточного микротома. Каждый из образцов окрасили и поместили в специальный раствор. Из одного из таких образцов извлекли фрагмент объемом 1 мм³, из которого было получено около 5300 срезов толщиной примерно 30 нм каждый. Это в тысячу раз тоньше, чем срезы, которые сделал основоположник анатомического картирования мозга Корбиниан Бродман, создавший в 1909 году самую известную карту мозга.
Удаленный фрагмент коры. Credit: Alexander Shapson-Coe et al. / Science 2024
На весь процесс визуализации срезов ушло 326 дней. В итоге получилось 225 миллионов двумерных изображений, которые затем объединили в трехмерное. С использованием машинного обучения удалось идентифицировать различные клетки и структуры, а также выявить необычные нейроны и редкие мультисинаптические связи между ними. Однако, поскольку образец коры принадлежал человеку с эпилепсией, неясно, связаны ли эти находки с заболеванием. В общей сложности на детальную реконструкцию крошечного участка мозга ушло около четырех лет.
В полученном образце глиальные клетки встречались в два раза чаще, чем нейроны (32 315 против 16 087), хотя это соотношение варьировалось в зависимости от слоя. Наиболее распространенными клетками оказались олигодендроциты (20 139). Среди нейронов преобладали клетки с шипиками – мембранными выростами на поверхности дендрита, способными образовывать синапсы (69% или 10 531). Бесшипиковые нейроны в основном представляли собой вставочные нейроны (31%). Ученые также выделили 868 необычных нейронов, которые не подошли ни под одну известную категорию. Например, некоторые пирамидальные нейроны почти не имели шипиков, хотя обычно они содержат множество таких структур, а другие, напоминающие бесшипиковые интернейроны, имели образования, схожие на шипики.
В самом глубоком слое коры головного мозга (слое VI) наблюдалось большое разнообразие типов клеток, особенно у приматов. Этот слой до сих пор остается слабо изученным, и именно здесь исследователи нашли другие необычные нейроны. Речь идет о треугольных клетках (triangular или compass cells), известных уже более ста лет, но о которых практически никакой информации до сих пор не было. Они напоминают пирамидные нейроны, но имеют отличительные структурные особенности: одиночный аксон, большой апикальный дендрит и один крупный базальный дендрит вместо нескольких.
Треугольные нейроны. Credit: Alexander Shapson-Coe et al. / Science 2024
В слоях V и VI удалось идентифицировать 864 таких необычных нейрона. Интересно, что направление базальных дендритов у большинства из них практически зеркально отражало друг друга, и в этих двух группах оказалось почти равное количество клеток. Неясно, какую роль играют эти особенности в функционировании мозга. Разная ориентация нейронов предполагает их функциональное различие.
Исследователи смогли выявить не только отдельные клетки, но и синапсы. В общей сложности обнаружено около 40 миллионов тормозных синапсов и примерно 110 миллионов возбуждающих.
Чаще всего каждый аксон пресинаптического нейрона образовывал один синапс с постсинаптическим нейроном. Хотя два синапса встречались довольно редко, у всех нейронов можно было найти хотя бы несколько таких контактов. Три синапса выявлялись еще реже, а четырехсинаптические связи фиксировались лишь в 0,001% случаев. Тем не менее, встречались и удивительные исключения, такие как возбуждающий нейрон, у которого на дендрите тормозной клетки было девять синапсов.
Созданная карта охватывает более 57 000 клеток, миллионы фрагментов нейронов и свыше 150 миллионов синапсов, занимая 1,4 петабайта данных, несмотря на то что исследуемая область составляет лишь одну миллионную часть всего объема человеческого мозга. Она опубликована в открытом доступе, что позволяет каждому совершить путешествие вглубь этого крошечного участка височной коры.
Текст: Анна Хоружая
A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution by Alexander Shapson-Coe et al. Science May 2024
DOI:10.1126/science.adk4858
Похожее:
