Коннектом
Какова цель исследований мозга? Вероятно, это всё то же его картирование – составление подробной карты. А каков предел детализации этой карты? Полное описание структуры связей нейронов в нервной системе организма или – Коннекто́м.
Область исследований, включающая в себя картографирование и анализ архитектуры нейрональных связей, называется «коннектомика».
Понятие о коннектоме как совокупности всех связей в мозгу ввели в 2005 году. Олаф Спорнс, Джулио Тонони вместе с Рольфом Кёттером из Фогтовского института исследований мозга в Дюссельдорфе опубликовали программную статью, которая называлась «Человеческий коннектом. Описание структуры мозга человека» [31]. В том же году независимо от них Патрик Хагман в тезисах своей кандидатской диссертации использовал то же слово и дал то же определение: «Коннектом мозга – совокупность всех связей в нем как единое целое». Мы не можем понять, как работает прибор, пока не получим его схему.
На смену лозунгу «Я – это мой геном» пришёл новый: «Я – это мой коннектом». В самом деле, геном – это лишь точка отсчёта, а карта связей в мозге человека – итог реализации генетической программы, взаимодействия индивида со средой, нечто более близкое к ответу на вопрос «что есть личность».
Появление коннектомики стало возможным благодаря появлению современных инструментов исследования, позволивших построить картину связей между нейронами. Это направление называется микроконнектомикой. Понятно, что любые методы установления связей между отдельными нейронами чрезвычайно трудоёмки – проделать такую работу для целого мозга в обозримом будущем нереально.
Полный коннектом, до клеточного уровня, пока расшифрован только для нематоды Caenorhabditis elegans (C. elegans) – прозрачного червячка длиной около миллиметра. Caenorhabditis elegans – прекрасный объект для исследования. Его геном был расшифрован ещё в 1998 году, а теперь настала очередь коннектома.
Нематода Caenorhabditis elegans – один из самых популярных модельных объектов не только нейробиологов, но и биологов вообще. С помощью этого довольно примитивно устроенного червя учёные смогли разобраться в механизмах программируемой клеточной гибели, ответить на многие вопросы биологии развития, поведения и других областей биологии. И вот, наконец, получилось полностью расшифровать его коннектом, о чем исследователи рассказали в журнале Nature. Точнее, два коннектома: обоих полов. [32]
Этого червя совсем нетрудно выращивать в лаборатории, но главное их свойств это – удивительное постоянство клеточного состава. Например, в теле взрослых самцов всегда насчитывается ровно 1031 клетка, из которых 302 – это нейроны. За годы изучения учёные смогли исследовать червя буквально по-клеточно.
Жёстко фиксированное число нейронов у C. elegans и относительная простота устройства его нервной системы открыли перед учёными заманчивую перспективу – построить полный коннектом его нервной системы, то есть установить абсолютно все нейронные связи.
По серии электронных микрофотографий послойных срезов тела червя была построена модель коннектома, правда некоторые «белые пятна» всё же были восполнены методом экстраполяции.
Полученные сетевые карты можно изучать методами теории графов. Весь коннектом нематоды был представлен как граф из 579 узлов, в узлах которой расположены нейроны, мышечные или другие возбудимые клетки. Ребра, соединяющие вершины такого графа – это синапсы, причём, их число также чётко фиксировано у всех особей, в данном случае мужского пола.
Но кроме микроконнектомики продолжают развиваться исследования связей между разными структурами мозга – «региональная коннектомика».
Для этого есть несколько методов, самый популярный из них – трактография, с помощью которой определяют ход пучков нервных волокон и моделируют картину связей между разными областями живого мозга.
Рисунок 27 Коннектом мужской особи нематоды
Исследования в области коннектомики ведут несколько проектов, один из крупнейших – Human Connectome Project. Он был запущен в 2009 году, рассчитан на пять лет, а финансировался Национальным институтом здравоохранения США. В проекте участвовало 1200 взрослых добровольцев.
Для каждого из участников средствами магнитно-резонансной томографии были составлены карты анатомических и функциональных связей мозга, а к 2018 году планировалось полное секвенирование их геномов.
Коннектомика уже сейчас изменяет наши взгляды на психические заболевания. Есть предположение, что многие из них, по сути своей – коннектопатии, связанные с нарушением связей, а не с патологиями тех или иных структур или областей мозга.