НЕЙРОТОН, занимательные истории о нервном импульсе (А.Волошин)

НЕЙРОТОН,   ОГЛАВЛЕНИЕ       

Коннектом

Какова цель исследований мозга? Вероятно, это все 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» [24]. 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.

Исследования в области коннектомики ведут несколько проектов, этой теме посвящены сотни научных работ. 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».

Бум в коннектомике сделало возможным в том числе и своевременное появление инструментов исследования. Серийные электронные микрофотографии позволяют восстановить картину связей между нейронами: кусочек нервной ткани нарезают на тончайшие срезы, получают микрофотографии и по ним восстанавливают трёхмерную структуру сплетения нервных отростков. Это направление называется микроконнектомикой. Понятно, что метод весьма трудоёмок и пригоден для установления связей между клетками в локальных участках — проделать такую работу для целого мозга в обозримые сроки нереально.

Полный коннектом, до клеточного уровня, пока расшифрован только для нематоды Caenorhabditis elegans (C. elegans) — прозрачного червячка длиной около миллиметра. В качестве модельного объекта это замечательное животное предложил Сидней Бреннер. Коротенький червячок с длинным именем Caenorhabditis elegans — прекрасный модельный объект. Его геном был получен еще 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. [25]

Одно из самых замечательных свойств этого червя, которого совсем нетрудно выращивать в лаборатории – постоянство клеточного состава (эутелия). В теле самцов во взрослом состоянии всегда насчитывается ровно 1031 клетка, а гермафродитов – 959 клеток, из которых 302 – это нейроны (самок у C. elegans нет). За годы изучения учёные смогли проследить судьбу буквально каждой клетки червя.

Жёстко фиксированное число нейронов у C. elegans и относительная простота устройства его нервной системы открыли перед учёными заманчивую возможность сконструировать так называемый коннектом его нервной системы, то есть установить для каждого нейрона, с какими другими нервными клетками он связан.

Коннектомы червей были реконструированы на основании серий электронных микрофотографий, на которых запечатлены срезы тела червя на разных уровнях. Однако, «покрыть» с помощью серий срезов все тело даже такого простого организма, как круглый червь, нельзя, и для заполнения «белых пятен» на карте нейронов C. elegans использовался принцип экстраполяции.

Полученные сетевые карты можно изучать методами теории графов. Весь организм червя был представлен как граф из 460 узлов (в случае гермафродита) или 579 узлов (в случае самца), где каждый узел – это нейрон, мышечная клетка или клетка другой природы. Ребра, соединяющие вершины такого необычного графа – это синапсы: химические или электрические, причём, их число также чётко фиксировано в случае обоих полов.

Рисунок 23 Коннектом мужской особи

Но кроме микроконнектомики есть региональная коннектомика — исследование связей между разными структурами мозга.

Для этого существуют несколько методов, один из самых популярных — трактография, или диффузионная тензорная визуализация (diffusion tensor image, DTI). Методом магнитно-резонансной томографии прослеживается диффузия воды в тканях и клеточных структурах, в данном случае — в отростках нейронов. Таким способом определяют ход пучков нервных волокон и восстанавливают картину связей между разными областями живого мозга.

Чтобы найти сетевые узлы, различными методами получают изображения мозга для структурной сети или используют данные электроэнцефалографии для функциональной сети (по: Nature Reviews Neuroscience, 2009, 10, 186–198)

Один из крупнейших проектов, работающих в этом направлении, так и называется Human Connectome Project. Он стартовал в 2009 году, рассчитан на пять лет и финансируется Национальным институтом здравоохранения США. В проекте участвуют 1200 взрослых добровольцев — пары близнецов, а также их братья и сестры примерно из 300 семей. Магнитно-резонансная томография даёт структуру связей, высокоплотная электроэнцефалография позволяет получить функциональную сеть. Так для каждого участника составляются карты анатомических и функциональных связей мозга, а к 2018 году планировалось полное секвенирование их геномов. Сравнение геномов и коннектомов идентичных близнецов и неидентичных братьев и сестёр, вероятно, принесёт новую информацию о вкладе генетики в формирование мозга.

Коннектомика уже сейчас изменяет наши взгляды на психические заболевания. Становится понятным, что многие из них, по сути своей, — коннектопатии, связанные не столько с разрушением тех или иных структур или областей мозга, сколько с нарушением связей.

56cm.php

ОГЛАВЛЕНИЕ