Автор фото, Universal Images Group via Getty Images
Более ста лет ученые пытаются составить точную карту человеческого мозга. Это похоже на то, как первые путешественники открывали новые земли: шаг за шагом собирали отдельные кусочки информации, чтобы наконец увидеть всю картину.
Но даже сегодня врачи, исследующие, например, болезнь Альцгеймера, обычно анализируют всего несколько маленьких образцов ткани. И это при том, что человеческий мозг содержит около 86 миллиардов нейронов. То есть большая его часть до сих пор остается почти неизведанной.
Поэтому ученые из Центра исследования мозга имени Суджи Гопала Кришна (SGBC) при Индийском технологическом институте в Мадрасе (IIT-M) называют свою новую работу настоящим прорывом.
Они создали то, что считают самым подробным в мире трехмерным атласом ствола человеческого мозга. Столь подробным, что можно постепенно перейти от изображения всего мозга на МРТ к отдельной нервной клетке.
В его основе – более 500 срезов мозговой ткани, полученных на разных этапах развития человека: от внутриутробного периода до взрослого возраста.
Вместо дорогих молекулярных технологий исследователи использовали высококачественные микроскопические снимки. Благодаря этому они смогли построить трехмерную карту ствола мозга, на которой видны более 200 групп нервных клеток и нервных путей.
Еще точнее карту сделали восемь специальных химических маркеров. Они помогают различать разные типы клеток и позволяют увидеть одну из наименее исследованных, но в то же время важнейших частей человеческого мозга.
Небольшой участок, без которого человек не может жить
Ствол мозга занимает совсем немного места. Но именно он отвечает за самые важные процессы в организме.
Он объединяет головной и спинной мозг, контролирует дыхание, сердцебиение, сон, пробуждение и движения.
Даже повреждение нескольких клеток в этом участке может иметь очень серьезные последствия. Однако из-за чрезвычайно плотного строения ствол мозга десятилетиями оставался почти недоступным для детального изучения.
Автор фото, SGBC
Самое важное в новом атласе даже не то, что он показывает строение мозга гораздо подробнее.
Он впервые объединяет две разные «картины» мозга. Одну мы видим на МРТ – она показывает мозг целиком. Другую можно увидеть только под микроскопом – она позволяет рассмотреть отдельные клетки. Ранее эти два метода исследования существовали раздельно.
«Мы видим действительно дальновидную программу, которая выводит Индию на уровень мировых лидеров», — говорит индийская нейробиологиня Шубха Толе из Института фундаментальных исследований Тата.
Она называет проект «беспрецедентным сочетанием инженерии, нейронауки и медицины».
От МРТ – к отдельному нейрону
Когда врачи исследуют мозг, они сначала осматривают его полностью, а уже затем переходят к анализу отдельных фрагментов ткани.
Мозг взрослого человека весит примерно от 1,2 до 1,5 кг. Его форма, извилины и большие структуры уже могут подсказать, что произошло, еще до работы с микроскопом.
«Как невропатолог, я сначала осматриваю весь мозг невооруженным глазом, а уже потом изучаю небольшие фрагменты под микроскопом», — рассказывает Ребекка Фолкерт, которая сотрудничает с Гарвардской медицинской школой и Нью-Йоркским университетом и принимала участие в проекте.
«В случае болезни Альцгеймера мы обычно исследуем всего 15–20 срезов. Это ничтожная часть всего мозга».
Так работают уже более ста лет — еще со времен знаменитого испанского нейробиолога Сантьяго Рамона-и-Кахаля.
Современное МРТ позволяет увидеть весь мозг, но не отдельные клетки. Микроскоп, напротив, показывает клетки очень хорошо, но только на маленьких участках ткани.
«То, что создал индийский центр — именно то, о чем я мечтала в начале своей карьеры: чтобы снимки мозга можно было сопоставить с его микроскопической анатомией», — сказала Фолкерт в интервью BBC. За более чем 30 лет работы она изучила тысячи образцов человеческого мозга.
Именно этот разрыв помогает преодолеть новый атлас.
Теперь можно буквально «приближать» карту: начать с МРТ всего ствола мозга, а затем постепенно перейти к отдельным нейронам, не утрачивая их точного расположения.
Авторы открыли атлас для всех желающих. Они надеются, что им будут пользоваться нейробиологи, неврологи и нейрохирурги в разных странах.
Автор фото, Getty Images
Новые возможности для исследования болезней
Возможности нового атласа выходят далеко за пределы анатомии.
Сравнивая карты здорового мозга с тканями, пораженными болезнями, ученые смогут лучше понять механизмы развития болезни Паркинсона, инсульта, болезни Альцгеймера и синдрома внезапной младенческой смерти.
Более точные карты также помогут нейрохирургам увереннее работать в одном из самых сложных участков человеческого мозга.
Сам по себе атлас не инструмент для диагностики. Его главная ценность состоит в том, что он открывает новые возможности для исследований и помогает задавать вопросы, на которые раньше было трудно найти ответы.
По словам специалиста по исследованию мозга Парты Митры из престижной лаборатории Cold Spring Harbor в Нью-Йорке, который сотрудничал с SGBC, такие детальные атласы могут оказать «революционное влияние» на изучение неврологических заболеваний.
«Они позволяют буквально клетку за клеткой увидеть, чем мозг человека с болезнью Альцгеймера или аутизмом отличается от здорового», — сказал Митра в интервью BBC.
По его словам, такие карты также помогут понять, как инфекции, в частности Covid-19, вызывают длительные неврологические нарушения.
Ребекка Фолкерт приводит в пример инсульт.
По ее словам, атлас уже помог выявить новые особенности строения мозга, которые могут дать врачам возможность сохранить пострадавшие ткани, но еще не потерявшие способности к восстановлению. Это может улучшить результаты лечения.
Другие исследователи также считают, что атлас сделает операции на стволе головного мозга более безопасными.
Как инженерия меняет нейронауку
Одним из главных преимуществ нового атласа является его относительная простота.
Он построен на основе высококачественных микроскопических изображений тонких срезов мозговой ткани, полученных после смерти человека. Такой подход делает создание детальных карт мозга на клеточном уровне более доступным.
По словам Парты Митры, именно это впервые позволило создать столь масштабную карту ствола головного мозга человека.
Этот успех отражает и более широкие изменения в современной нейронауке, где все большую роль играют не только биология, но и инженерные технологии и методы вычислительного анализа.
Около 20 ученых в течение 18 месяцев вручную проанализировали более 200 срезов мозга, соединив данные МРТ, микроскопические изображения и трехмерную реконструкцию в единый цифровой атлас.
Сегодня в центре SGBC работают более 200 исследователей, инженеров и технических специалистов, сотрудничающих с коллегами по всему миру.
Автор фото, SGBC
По словам руководителя проекта Моханасанкара Сивапракасама, несмотря на значительный прогресс в изучении мозга животных, человеческий мозг до сих пор исследован гораздо хуже.
В то же время, отмечает Парта Митра, разные атласы мозга существовали и раньше.
«Но разные атласы решают разные задачи», — говорит он.
Атласы, созданные на основе МРТ, показывают общее строение мозга, но не отдельные клетки.
Гистологические атласы позволяют увидеть клеточную структуру тканей под микроскопом.
Современные молекулярные методы следуют еще дальше, определяя точную природу каждой клетки.
Впрочем, ученые до сих пор удивительно мало знают о том, как примерно 20 тысяч белков человеческого мозга распределяются между его разными участками и типами клеток. Именно это направление предположительно станет следующим этапом развития картирования мозга.
«Мозг каждого человека — настоящий сундук с сокровищами новых знаний» — говорит Ребекка Фолкерт.
Теперь команда планирует исследовать мозг более 100 человек всех возрастов, а также людей, которые имели различные неврологические заболевания, в частности, болезнь Альцгеймера и другие формы деменции.
Это позволит сформировать уникальную библиотеку, которая покажет, как болезни изменяют мозг буквально клетка за клеткой.
Новый атлас не раскроет всех тайн мозга.
Но он дает ученым гораздо более точную карту, которая поможет задавать более правильные вопросы. А потом, возможно, и найти ответы на них.
