Ученые получили уникальные 3D-изображения части головного мозга

Ученые из Гарвардского университета и Google Research провели поразительно глубокое исследование человеческого мозга, картируя тысячи клеток и миллионы синапсов в образце мозговой ткани размером с маковое зернышко. Эта работа позволила получить потрясающие изображения и стала важным шагом на пути к решению одной из самых больших проблем в науке.

Возможно, не будет преувеличением сказать, что человеческий мозг — самая сложная вещь на свете. В нем находится около 90 миллиардов нейронов, связанных друг с другом через 100 триллионов синапсов, и из этой запутанной паутины каким-то образом возникает все ваше существо – все мысли, эмоции, надежды, воспоминания и так далее.

Ирония заключается в том, что человеческий мозг настолько сложен, что ему практически невозможно по-настоящему постичь самого себя, несмотря на его вычислительную мощность. Но это не мешает группам ученых попытаться построить полную схему человеческого мозга, известную как «коннектом».

Теперь команда исследователей из Гарварда и Google Research совершила крупный прорыв, опубликовав самый большой в истории набор данных о нейронных связях в человеческом мозге. На самом деле это крошечный кусочек мозга — образец имел объем всего 1 мм³, то есть был размером с одно маковое зернышко. Но в этом пространстве содержатся невероятные 57 000 нейронов, 230 мм кровеносных сосудов и 150 миллионов синапсов.

Сопоставление только этого крошечного фрагмента информации позволило получить поразительные 1,4 петабайта (ПБ), или 1,4 миллиона ГБ, данных. Стандартный двухслойный диск Blu-Ray может вместить 50 ГБ. Это означает, что только этот крошечный фрагмент генерируемых данных эквивалентен 28 000 дискам Blu-Ray.

Человеческий мозг — самая плотная среда хранения данных, которую мы знаем — по оценкам, он имеет емкость хранения данных в размере 2,5 ПБ. Это означает, что мозгу не хватит места после загрузки данных, описывающих всего лишь полтора кубических миллиметра его самого. Для составления полной карты человеческого мозга потребуется примерно 1 экзабайт (ЭБ) данных, что соответствует масштабу центров обработки данных ЦЕРН для Большого адронного коллайдера.

Иногда бывает сложно разобраться в таких цифрах, поэтому лучший способ оценить данные — посмотреть на сами карты. Исследователи окрасили нейроны в образце в зависимости от их размера и типа, что позволило создать изображения, похожие на густой лес. Запечатленный здесь участок мозга является частью передней височной доли, отвечающей за семантическую память. Это означает, что электрические сигналы, проносящиеся через нейроны, которые мы видим здесь, содержат знания этого человека об объектах, словах, фактах и ​​других людях.

Помимо того, что изображения показывают, насколько невероятно хорошо связаны между собой нейроны, они раскрывают и другие неожиданные факты. По неизвестным причинам некоторые кластеры нейронов, похоже, располагались зеркальными парами. Другие продемонстрировали то, что команда называет «завитками аксонов», где части длинных нитей нейронов образуют петлеобразные скопления, чего раньше никогда не наблюдалось. Исследователи говорят, что это может быть неизвестный симптом эпилепсии, поскольку пациент, у которого был взят образец, страдал этим заболеванием, или это может быть просто редкое явление в здоровой ткани мозга.

Конечно, этот образец — всего лишь небольшой шаг к конечной цели — составлению карты всего человеческого мозга, но само собой разумеется, что до этого еще далеко. На данный момент исследователи прошли путь от полного мозга червя до половины мозга плодовой мухи, а теперь и до этого крошечного участка человеческого мозга, и на следующем этапе им предстоит заняться гиппокампом мыши.

Исследование было опубликовано в журнале Science.