Введение

Набор нейробиологических методов. Картография мозга — это набор нейробиологических методов, основанный на сопоставлении (биологических) количественных показателей или свойств с пространственными представлениями (человеческого или нечеловеческого) мозга, что приводит к созданию карт. Согласно определению, установленному в 2013 году Обществом по картографии мозга и терапии (SBMT), картография мозга конкретно определяется как изучение анатомии и функций мозга и спинного мозга с использованием визуализации, иммуногистохимии, молекулярной и оптогенетики, клеточной биологии и биологии стволовых клеток, инженерии, нейрофизиологии и нанотехнологий.

Обзор

Все нейроизображения считаются частью картирования мозга. Картирование мозга можно рассматривать как более продвинутую форму нейроизображения, создающую изображения мозга, дополненные результатами дополнительной обработки или анализа данных (изображения или неизображения), например, картами, проецирующими (показатели) поведения на области мозга (см. фМРТ). Одна из таких карт, называемая коннектограммой, изображает области коры вокруг окружности, организованные по долям. Концентрические окружности внутри кольца представляют различные распространенные неврологические измерения, такие как толщина коры или ее извилистость. В центре окружностей линии, представляющие волокна белого вещества, иллюстрируют связи между корковыми областями, взвешенные по фракционной анизотропии и силе связи. При более высоком разрешении карты мозга называют коннектомами. Эти карты включают в себя отдельные нейронные связи в мозге и часто представляются в виде схем соединений. Методы картирования мозга постоянно развиваются и опираются на разработку и совершенствование методов получения изображений, представления, анализа, визуализации и интерпретации. Функциональная и структурная нейровизуализация лежат в основе картографического аспекта картирования мозга. Некоторые ученые критикуют утверждения, основанные на изображениях мозга, публикуемые в научных журналах и популярной прессе, например, открытие "части мозга, отвечающей" за такие вещи, как любовь, музыкальные способности или конкретная память. Многие методы картирования имеют относительно низкое разрешение, включая сотни тысяч нейронов в одном вокселе. Многие функции также включают в себя несколько частей мозга, что означает, что подобные утверждения, вероятно, невозможно проверить с помощью используемого оборудования и, как правило, основаны на неверном предположении о том, как разделены функции мозга. Возможно, большинство функций мозга будут описаны правильно только после измерения с помощью более детальных измерений, которые рассматривают не большие области, а очень большое количество крошечных отдельных мозговых цепей. Многие из этих исследований также имеют технические проблемы, такие как небольшой размер выборки или плохая калибровка оборудования, что означает, что их нельзя воспроизвести – факторы, которые иногда игнорируются ради создания сенсационной статьи в журнале или новостного заголовка. В некоторых случаях методы картирования мозга используются в коммерческих целях, для выявления лжи или медицинской диагностики способами, которые не были научно подтверждены.

История

В конце 1980-х годов в Соединенных Штатах Институт медицины Национальной академии наук получил заказ на формирование экспертной группы для оценки ценности интеграции нейронаучных данных, полученных с использованием различных методов. Особый интерес представляет применение структурной и функциональной магнитно-резонансной томографии (fMRI), диффузионно-тензорной МРТ (dMRI), магнитоэнцефалографии (MEG), электроэнцефалографии (EEG), позитронно-эмиссионной томографии (PET), ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS) и других неинвазивных методов сканирования для создания карт анатомии, физиологии, перфузии, функций и фенотипов человеческого мозга. Как здоровые, так и пораженные болезнью мозги могут быть картированы для изучения памяти, обучения, старения и воздействия лекарственных препаратов в различных группах населения, включая людей с шизофренией, аутизмом и клинической депрессией. Это привело к созданию проекта "Мозг человека". Это также может быть критически важно для понимания травматических повреждений мозга (как в случае с Финеасом Гейджем) и совершенствования лечения таких повреждений. В результате серии встреч был создан Международный консорциум по картированию мозга (ICBM). Конечной целью является разработка гибких вычислительных атласов мозга.

Достижения

Интерактивный сайт для научных исследований с участием общественности Eyewire отображает клетки сетчатки мышей и был запущен в 2012 году. В 2021 году исследователи из Google опубликовали самую полную трехмерную карту человеческого мозга. Она показывает нейроны и их связи, а также кровеносные сосуды и другие компоненты, составляющие миллионную долю мозга. Для создания карты фрагмент размером 1 мм³ был разрезан примерно на 5300 срезов толщиной около 30 нанометров, каждый из которых затем был просканирован электронным микроскопом. Интерактивная карта потребовала 1,4 петабайта дискового пространства. Примерно через два месяца ученые сообщили о создании первой полной трехмерной карты мозга обезьяны с разрешением на уровне отдельных нейронов, которую они отсканировали с помощью нового метода за 100 часов. В открытый доступ была предоставлена лишь часть 3D-карты, поскольку полный объем данных, даже в сжатом виде, превышает 1 петабайт. В октябре 2021 года Сеть по переписи клеток инициативы BRAIN (BICCN) завершила первый этап долгосрочного проекта по созданию атласа всего мозга мыши (млекопитающих), включающего 17 исследований, в том числе атлас и перепись типов клеток в первичной моторной коре.

Развитие мозга

В 2021 году был представлен первый коннектома, демонстрирующий изменения в мозге животного на протяжении всей его жизни. Ученые составили карту и сравнили полные мозги восьми изогенных червей *C. elegans*, каждый из которых находился на различной стадии развития. Позднее в том же году ученые объединили электронную микроскопию и метод "мозговой радуги" (brainbow) для демонстрации развития нервной цепи млекопитающего впервые. Они опубликовали полные схемы связей между ЦНС и мышцами десяти отдельных мышей.

Видение

В августе 2021 года ученые программы MICrONS, запущенной в 2016 году, опубликовали набор данных функциональной коннектомики, содержащий данные кальциевой визуализации примерно 75 000 нейронов первичной зрительной коры (VISp) и трех высших зрительных областей (VISrl, VISal и VISlm), полученные во время просмотра мышами естественных видео и параметрических стимулов. На основе этих данных они также опубликовали интерактивные визуализации анатомических и функциональных данных, охватывающие все 6 слоев первичной зрительной коры мыши и 3 высшие зрительные области (LM, AL, RL) в объеме в один кубический миллиметр – MICrONS Explorer.

Регенерация мозга

В 2022 году был создан первый пространственно-временной клеточный атлас развития и регенерации мозга аксолотля – интерактивный Axolotl Regenerative Telencephalon Interpretation via Spatiotemporal Transcriptomic Atlas – который позволил получить ключевые сведения о регенерации мозга аксолотля.

Определение Full Society for Brain Mapping and Therapeutics (SBMT)

Картография мозга — это изучение анатомии и функций мозга и спинного мозга с использованием методов визуализации (включая интраоперационную, микроскопическую, эндоскопическую и мультимодальную визуализацию), иммуногистохимии, молекулярной и оптогенетики, стволовой и клеточной биологии, инженерии (материалов, электротехники и биомедицинской), нейрофизиологии и нанотехнологий.