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, по последним данным[когда?], насчитывает в себе около 86 миллиардов нервных клеток и в 10 тысяч раз больше соединений[источник не указан 29 дней]. 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 её 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 применён 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 обновлять 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[когда?] включают в себя: (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]