Открыть главное меню

Коннектом

Белое вещество в человеческом мозге, визуализированное с помощью МРТ-трактографии
Исследование связей мозга с помощью МРТ. Из Hagmann et al., 2008[1]

Коннекто́м (англ. connectome /kəˈnɛktm/) — 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-нематоды Caenorhabditis elegans, чья нервная система насчитывает всего 302 нейрона. Команда ученых нанесла на карту все 7000 соединений между нейронами[4]. Что касается мозга человека, то он, по последним данным[когда?], содержит около 86 миллиардов нервных клеток и в 10 тысяч раз больше соединений[источник не указан 1107 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 Caenorhabditis elegans 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 исследователями Олафом Спорнсом и Патриком Хэгмэнном.

Аксоны, иннервирующие мышцы ушных раковин у мыши

Некоторые исследователи называют коннектомом карту 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].

Содержание

Происхождение и использование термина «коннектом»Править

В 2005 доктор Олаф Спорнс из университета Индианы и доктор Патрик Хагман из госпиталя Лозаннского 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) была 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 кошачьем мозге (Сканнел и др., 1999). Создание баз данных для подобных массивов анатомических соединений позволяет постоянно их обновлять и увеличивать их точность. Яркий пример подобных баз данных — онлайн-база данных соединения кортекса макак CoCoMac (Кётер, 2004).

Коннектом в различных масштабахПравить

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 счёте 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 синаптическими 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 изощрённые 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. такжеПравить

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

ПримечанияПравить

  1. Hagmann P., Cammoun L., Gigandet X., Meuli R., Honey C. J., Wedeen V. J., Sporns O. Mapping the structural core of human cerebral cortex (англ.) // PLoS Biol. : journal. — 2008. — July (vol. 6, no. 7). — P. 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 J. C., White O. L., Lichtman J. W. The interscutularis muscle connectome (англ.) // PLoS Biol. : journal. — 2009. — February (vol. 7, no. 2). — P. e32. — DOI:10.1371/journal.pbio.1000032. — PMID 19209956.
  6. Пресс-релиз госагентства, сообщение в нейронаучном блоге, статья в Seed Magazine:

СсылкиПравить