Коннектом

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Белое вещество в человеческом мозге визуализируемое с помощью МРТ трактографии
Исследование связей мозга с помощью МРТ. Из Hagmann et al., 2008[1]

Коннекто́м — полное описание структуры связей в нервной системе организма[2][3]. Область исследований, включающая в себя картографирование и анализ архитектуры нейрональных связей, называется коннектомика.

Сетевое отображение связности мозга человека

Первым, в 1986 году, был описан коннектом червя Caenorhabditis elegans, чья нервная система насчитывает всего 302 нейрона[4]. Команда ученых нанесла на карту все 7000 соединений между нейронами. Что касается мозга человека, то он насчитывает в себе около 100 миллиардов нервных клеток и в 10 000 раз больше соединений. Это очень большой объём информации. Считается, что в связях между нейронами заключены многие аспекты человеческой индивидуальности, такие как личность и интеллект, поэтому описание коннектома человека может стать большим шагом к пониманию многих умственных процессов. Определение коннектома червя-нематоды заняло более 12 лет упорного труда. Чтобы определить коннектом мозга, сравнимого с нашим, необходимо иметь более продвинутые автоматизированные технологии, которые увеличат скорость нахождения коннектомов.

Сам термин «коннектом» был предложен в 2005 году независимо друг от друга двумя исследователями Олафом Спорнсом и Патриком Хэгмэнном, по аналогии с термином «гено́м».

Аксоны, иннервирующие мышцы ушных раковин у мыши

Термин коннектом некоторыми исследователями употребляется для обозначения карты связей не всего организма, а его части. Так, в 2009 году было опубликовано исследование коннектома аксонов, иннервирующих межщитковые мышцы ушных раковин мыши (англ. interscutularis muscle connectome)[5].

Летом 2009 года Национальным Институтом Здоровья США был начат проект Коннектом Человека (англ.) с первоначальным финансированием в 30 млн долларов[6].

Происхождение и использование термина "Коннектом"[править | править вики-текст]

В 2005 ,доктор Олаф Спорнс из университета Индианы и доктор Патрик Хагман из госпиталя Луизинского университета независимо и одновременно предложили термин "коннектом" для обозначения карты нейронных соединений в мозге.Это название было предложено из-за созвучия с термином геном.

"Коннектомика" (Хагман,2005) был определена как наука о сборе и анализе данных коннектома.

В своей статье от 2005 года "Человеческий коннектом, структурное описание человеческого мозга" Спорнс и члены его команды написали :

Для понимания функционирования сети,необходимо знать ее элементы и их взаимосвязи.Цель этой статьи состоит в том,чтобы обсудить стратегии исследований направленных на комплексное описание элементов сети и их соединений в человеческом мозгу.Мы предлагаем назвать этот набор данных человеческим "коннектомом",и мы считаем,что термин будет применен в когнитивной неврологии и нейропсихологии.Коннектом будет существенно увеличивать наше понимание функционирования мозга на низком уровне,и представит понимание как изменится функционирование головного мозга,если его изменить на низком уровне.

В 2005 году доктор Хагман в своей статье "От диффузионной МРТ головного мозга к коннектомике" писал:

Понятно ,что как и геном , который больше чем просто множество генов ,множество всех нейрональных соединений в мозге важнее чем каждое отдельное соединение.

Пути через мозговое белое вещество могут быть определены с помощью гистологического исследования методом дегенерации ,и аксональной трассировки.Метод аксональной трассировки первичный базис картирования длинных мозговых путей белого вещества в обширную матрицу соединений между регионами серого вещества.Первые подобные исследования проводились в зрительной коре макаки.(Феллман и Ван Эссен, 1991) и таламо-корковом пути в кошачем мозге(Сканнел и др,1999). Создание баз данных для подобных массивов анатомических соединений позволяет постоянно их обноволять и увеличивать их точность.Онлайн база данных соединения кортекса макак CoCoMac (Кётер,2004) является ярким примером подобных баз данных.

Коннектом в различных масштабах[править | править вики-текст]

Сети соединений мозга могут быть представлены в разных масштабах,что соответствует уровням пространственного разрешения в визуализции головного мозга (Кётер,2007,Спорнс,2010).Эти уровни могут быть грубо классифицированы как микромасштаб, мезомасштаб и макроуровень.В конечном счете можно будет присоединить результаты полученные на разных уровнях в единую иерархическую карту нейрональной организации которая сможет показать отдельный нейрон в популяции нейронов до таких больших систем как кортикальные области.Из-за того что у разных индивидов будут отличия в коннектомах, любая унифицированная карта скорее всего будет предоставлять вероятностную информацию о связности нейронов (Спорнс и др.2005)

Картирование коннектома на микроуровне (с разрешением в микрометры) означает постройку полной карты нейронной сети ,нейрон к нейрону. Одна только кора головного мозга содержит порядка 10 миллиардов нейронов соединенных 1014 синапическими связями.Для сравнения,число пар оснований в человеческом геноме 3×109.Некоторые из основных проблем построения человеческого коннектома на микроуровне сегодня включают в себя эти:(1) на сбор данных потребовались бы годы при нынешней технологии (2) инструменты машинного зрения на сегодняшний день находятся в зачаточном состоянии (3) нет ни теории ни алгоритмов для анализа поступающих данных.Для решения проблем со сбором данных несколько групп ученых создают серийные электронные микроскопы с высокой пропускной способностью (Кацури и др,2009)(Бок и др 2011). Наконец, статистическая теория графов является новой дисциплиной, которая развивает изощренные способы распознавания образов и инструменты для логической обработки этих мозговых графов (Голденберг и др, 2009).

"Мезо" коннектом соответствует масштабу в сотни микрометров . Вместо того, чтобы пытаться отобразить каждый отдельный нейрон, коннектом на мезомасштабе будет пытаться захватить анатомически и функционально различные популяции нейронов соединенные в локальные цепи (например мозговые колонки) состоящие из сотен или тысяч отдельных нейронов.Задача создания мезоконнектома до сих пор амбициозна,и пока может быть решена только инвазивными методами.

Коннектом на макроуровне (с разрешением в миллиметры) пытается захватить большие мозговые системы Базы данных коннектома на микроуровне и мезоуровне могут быть значительно более компактными ,чем на клеточном уровне.

См. также[править | править вики-текст]

  • Аксональное наведение — процесс, во многом определяющий топологию связей
  • EyeWire — проект по картированию сетчатки глаза человека силами добровольцев.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Hagmann P, Cammoun L, Gigandet X, Meuli R, Honey CJ, Wedeen VJ, Sporns O (July 2008). «Mapping the structural core of human cerebral cortex». PLoS Biol. 6 (7): e159. DOI:10.1371/journal.pbio.0060159. PMID 18597554.
  2. Sporns O, Tononi G, Kötter R (2005) The human connectome: A structural description of the human brain. PLoS Computational Biology 1, e42.
  3. Hagmann P (2005) From diffusion MRI to brain connectomics [PhD Thesis]. Lausanne: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). 127 p.
  4. White JG, Southgate E, Thomson JN, Brenner S (1986) The structure of the nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans. Phil. Trans. Royal Soc. London. B 314, 1-340.
  5. Lu J, Tapia JC, White OL, Lichtman JW (February 2009). «The interscutularis muscle connectome». PLoS Biol. 7 (2): e32. DOI:10.1371/journal.pbio.1000032. PMID 19209956.
  6. Пресс-релиз госагентства, сообщение в нейронаучном блоге, статья в Seed Magazine:

Ссылки[править | править вики-текст]