Чтобы понять, как работает наш мозг, необходимо изучить, как различные области мозга связаны друг с другом нервными волокнами. В последнем выпуске журнала Science исследователи проекта Human Brain Project (HBP) рассматривают текущее состояние этой области, дают представление о том, как структурирован коннектом мозга в различных пространственных масштабах — от молекулярного и клеточного до макроуровня — и оценить существующие методы и будущие требования для понимания сложной организации коннектома.

«Недостаточно изучить связь мозга с помощью одного метода или даже двух», — говорит автор и научный руководитель HBP Катрин Амунтс, которая возглавляет Институт неврологии и медицины (INM-1) в Forschungszentrum Jülich и C.&O. Институт исследования мозга Фогта при университетской клинике Дюссельдорфа.

«Коннектом вложен на нескольких уровнях. Чтобы понять его структуру, нам нужно взглянуть сразу на несколько пространственных масштабов, комбинируя различные экспериментальные методы в многомасштабном подходе и интегрируя полученные данные в многоуровневые атласы, такие как Атлас мозга Юлиха. которые мы разработали».

Маркус Аксер из Forschungszentrum Jülich и физического факультета Университета Вупперталя, который является первым автором научной статьи, вместе со своей командой в INM-1 разработал уникальный метод, называемый 3D-визуализация в поляризованном свете (3D-PLI) для визуализации нерва . волокна с микроскопическим разрешением. Исследователи отслеживают трехмерные ходы волокон в последовательных срезах мозга с целью разработки трехмерного атласа волокон всего человеческого мозга.

Вместе с другими исследователями HBP из Neurospin во Франции и Университета Флоренции в Италии, Аксер и его команда недавно получили изображения одного и того же блока ткани из гиппокампа человека, используя несколько различных методов: анатомическую и диффузионную магнитно-резонансную томографию (аМРТ и дМРТ), два -фотонная флуоресцентная микроскопия (ТФМ) и 3D-PLI соответственно.

Методы микроскопии, такие как TPFM, обеспечивают изображения с субмикрометровым разрешением небольших объемов мозга, выявляющие микроструктуры коры головного мозга , но они имеют свои ограничения в распутывании волокон, соединяющих отдаленные области мозга, которые формируют глубокие структуры белого вещества. Это еще более верно для электронно-микроскопических измерений, которые позволяют получить представление о кубическом миллиметре мозговой ткани с нанометровым разрешением. Напротив, дМРТ можно использовать для трактографии на уровне всего мозга — визуализируя соединения белого вещества, — но не может разрешать отдельные волокна или небольшие тракты.

«3D-PLI служит связующим звеном между микро- и макрометодами, — говорит Амунтс. «Это связано с тем, что 3D-PLI разрешает архитектуру волокон с высоким разрешением и в то же время позволяет визуализировать срезы всего мозга, которые мы затем можем реконструировать в 3D для отслеживания соединений волокон».

Комбинация dMRI, TPFM и 3D-PLI позволила исследователям наложить друг на друга три модальности в одном эталонном пространстве. «Эта интеграция данных стала возможной только благодаря визуализации одного и того же образца ткани», — объясняет Аксер. Блок человеческого гиппокампа был перевезен из Германии во Францию, обратно в Германию и, наконец, в Италию, где его обрабатывали и визуализировали в различных лабораториях с использованием местного узкоспециализированного оборудования.

Затем исследователи использовали атлас мозга Julich для пространственной привязки своих данных к анатомическому эталонному пространству. Трехмерный атлас содержит более 250 цитоархитектонических карт областей мозга и является центральным элементом Многоуровневого атласа человеческого мозга HBP . «Наш атлас мозга позволяет нам точно определить, где в мозгу мы находим эти микроструктуры», — объясняет Амунтс. Набор данных находится в открытом доступе через инфраструктуру EBRAINS HBP и может быть просмотрен в интерактивном средстве просмотра атласа.

Многомасштабный подход исследователей, сочетающий несколько модальностей в разных пространственных масштабах для раскрытия коннектома человека, уникален и дает новое захватывающее представление о том, как работает человеческий мозг.

Несмотря на то, что реконструкция гиппокампа является проектом-маяком, в настоящее время осуществляется (или вот-вот начнется) несколько международных усилий, которые необходимо организовать на уровне открытого атласа, чтобы обеспечить интеграцию многомасштабных данных. Амунтс и Аксер подчеркивают, что это необходимое условие для выявления принципов связности в доступном для эксперимента диапазоне масштабов — от аксонов до проводящих путей.

Другими словами, для описания и понимания вложенной организации человеческого мозга необходим интегрированный многомасштабный подход, сочетающий микро- и макрометоды. Это требует критической переоценки существующей методологии, включая трактографию, говорят авторы.