Автор фото, Universal Images Group via Getty Images
Підпис до фото, У людському мозку – близько 86 мільярдів нейронів. Новий 3D-атлас відкриває вченим можливість досліджувати його з безпрецедентною точністю
Вже понад століття вчені намагаються створити детальну карту людського мозку. Це нагадує роботу перших дослідників, які крок за кроком вивчали нові території, збираючи фрагменти інформації для цілісної картини.
Однак навіть сьогодні фахівці, що вивчають, наприклад, хворобу Альцгеймера, зазвичай аналізують лише невеликі зразки тканин. Це при тому, що людський мозок складається приблизно з 86 мільярдів нейронів, залишаючи значну його частину практично недослідженою.
Саме тому науковці з Центру дослідження мозку імені Суджи Гопала Крішна (SGBC) при Індійському технологічному інституті в Мадрасі (IIT-M) називають свою нову розробку справжнім проривом.
Вони розробили те, що вважається найдетальнішим у світі тривимірним атласом стовбура людського мозку. Його деталізація дозволяє перейти від загального зображення мозку на МРТ до окремої нервової клітини.
В основі атласу — понад 500 зрізів мозкової тканини, отриманих на різних етапах людського розвитку: від внутрішньоутробного періоду до дорослого стану.
Замість дорогих молекулярних технологій, дослідники застосували високоякісні мікроскопічні знімки. Це дозволило їм створити тривимірну карту стовбура мозку, що включає понад 200 груп нервових клітин та шляхів.
Точність карти було підвищено за допомогою восьми спеціалізованих хімічних маркерів. Вони допомагають відрізняти різні типи клітин, даючи змогу досліджувати одну з найменш вивчених, але водночас найважливіших частин людського мозку.
Критично важлива ділянка для виживання
Стовбур мозку займає незначну частину загального об’єму. Проте саме він керує найважливішими функціями організму.
Він з’єднує головний і спинний мозок, регулює дихання, серцебиття, цикли сну та бадьорості, а також рухові функції.
Навіть незначне пошкодження кількох клітин у цій зоні може призвести до серйозних наслідків. Однак, через свою надзвичайно щільну структуру, стовбур мозку десятиліттями залишався практично недоступним для детального дослідження.
Автор фото, SGBC
Підпис до фото, Зрізи атласу стовбура мозку. Ця невелика ділянка контролює дихання, серцебиття, сон, рухи та інші життєво важливі функції
Ключовим досягненням нового атласу є не лише його виняткова деталізація.
Вперше він об’єднує два різні підходи до візуалізації мозку: загальне зображення, отримане за допомогою МРТ, та детальний мікроскопічний вид, що дозволяє розрізнити окремі клітини. Раніше ці методи використовувалися незалежно один від одного.
«Це справді далекоглядна програма, яка виводить Індію на передові позиції у світі», — зазначає індійська нейробіологиня Шубха Толе з Інституту фундаментальних досліджень Тата.
Вона характеризує проєкт як «безпрецедентне поєднання інженерії, нейронауки та медицини».
Перехід від МРТ до детального рівня окремих нейронів
Зазвичай, медичні фахівці спочатку оглядають мозок цілком, а потім переходять до вивчення його окремих фрагментів.
Середня вага мозку дорослої людини становить від 1,2 до 1,5 кілограма. Його загальна форма, звивини та основні структури вже можуть надати лікарям важливу інформацію ще до використання мікроскопа.
«Як невропатолог, я спочатку оцінюю весь мозок візуально, а потім детально вивчаю невеликі ділянки під мікроскопом», — пояснює Ребекка Фолкерт, яка співпрацює з Гарвардською медичною школою та Нью-Йоркським університетом і брала участь у проєкті SGBC.
«У випадках хвороби Альцгеймера ми зазвичай аналізуємо лише 15–20 зрізів. Це мізерна частка всього мозку».
Такий підхід використовується вже понад сто років, починаючи з робіт видатного іспанського нейробіолога Сантьяго Рамона-і-Кахаля.
Сучасні МРТ-сканери дозволяють візуалізувати весь мозок, але не на рівні окремих клітин. Мікроскопи, навпаки, чудово показують клітини, але лише на обмежених ділянках тканини.
«Те, що було створено в індійському центрі, — це саме те, про що я мріяла на початку своєї кар’єри: можливість зіставляти зображення мозку з його мікроскопічною анатомією», — розповіла Фолкерт в інтерв’ю BBC. За її понад 30-річний досвід роботи вона вивчила тисячі зразків людського мозку.
Саме цей розрив у можливостях допомагає подолати новий атлас.
Тепер можна буквально «масштабувати» карту: почати з МРТ-зображення всього стовбура мозку і поступово перейти до окремих нейронів, зберігаючи їхнє точне просторове розташування.
Автори зробили атлас загальнодоступним. Вони висловлюють надію, що він стане корисним інструментом для нейробіологів, неврологів та нейрохірургів у всьому світі.
Автор фото, Getty Images
Підпис до фото, МРТ головного мозку з ранніми ознаками хвороби Альцгеймера. Новий атлас може допомогти в дослідженні хвороб Альцгеймера, Паркінсона та інсульту
Потенціал для вивчення захворювань
Можливості нового атласу виходять далеко за межі простої анатомічної візуалізації.
Шляхом порівняння карт здорового мозку з тканинами, ураженими хворобами, вчені зможуть глибше зрозуміти механізми розвитку хвороби Паркінсона, інсульту, хвороби Альцгеймера та синдрому раптової дитячої смерті.
Більш точні карти також нададуть нейрохірургам впевненість при роботі в одній з найскладніших зон людського мозку.
Сам по собі атлас не є діагностичним інструментом. Його головна цінність полягає у створенні нових напрямків для досліджень та допомозі у формулюванні запитань, на які раніше було складно знайти відповіді.
Згідно зі словами Парти Мітри, фахівця з дослідження мозку з престижної лабораторії Cold Spring Harbor у Нью-Йорку, який співпрацював із SGBC, такі деталізовані атласи можуть справити «революційний вплив» на вивчення неврологічних розладів.
«Вони дають змогу буквально на клітинному рівні бачити відмінності між мозком людини з хворобою Альцгеймера чи аутизмом та здоровим мозком», — зазначив Мітра в інтерв’ю BBC.
Він також додав, що подібні карти допоможуть зрозуміти, як інфекційні захворювання, зокрема Covid-19, можуть спричиняти тривалі неврологічні ускладнення.
Ребекка Фолкерт наводить приклад інсульту.
За її словами, атлас вже сприяв виявленню нових анатомічних особливостей мозку, що потенційно може допомогти лікарям зберегти тканини, які зазнали ушкоджень, але ще не втратили функціональність. Це може покращити результати лікування.
Інші дослідники також вважають, що атлас підвищить безпеку операцій на стовбурі головного мозку.
Вплив інженерії на нейронауку
Однією з ключових переваг нового атласу є його відносна простота реалізації.
Він створений на основі високоякісних мікроскопічних зображень тонких зрізів мозкової тканини, отриманих після смерті. Цей підхід робить розробку детальних карт мозку на клітинному рівні набагато доступнішою.
За словами Парти Мітри, саме це вперше дозволило сформувати настільки масштабний атлас стовбура людського мозку.
Цей успіх відображає ширші тенденції в сучасній нейронауці, де зростає роль не тільки біології, а й інженерних технологій та методів обчислювального аналізу.
Приблизно 20 науковців протягом 18 місяців вручну обробили понад 200 зрізів мозку, інтегрувавши дані МРТ, мікроскопічні зображення та тривимірну реконструкцію в єдиний цифровий атлас.
Наразі в центрі SGBC працює понад 200 дослідників, інженерів та технічних спеціалістів, які співпрацюють з колегами по всьому світу.
Автор фото, SGBC
Підпис до фото, Атлас дає змогу "наблизити" мозок – від МРТ до окремих клітин.
За словами Моханасанкара Сівапракасама, керівника проєкту, попри значний прогрес у вивченні мозку тварин, людський мозок залишається значно менш дослідженим.
Водночас, як зазначає Парта Мітра, раніше вже існували різні атласи мозку.
«Однак різні атласи призначені для вирішення різних завдань», — підкреслює він.
Атласи, створені на основі МРТ, відображають загальну структуру мозку, але не його клітинний рівень.
Гістологічні атласи дозволяють побачити мікроскопічну структуру тканин.
Сучасні молекулярні методи йдуть ще далі, визначаючи точну природу кожної клітини.
Проте, науковці досі мають обмежені знання про розподіл близько 20 тисяч білків людського мозку між його різними ділянками та типами клітин. Цей напрямок, ймовірно, стане наступним етапом у розвитку картографування мозку.
«Мозок кожної людини — це справжня скарбниця нових знань», — говорить Ребекка Фолкерт.
Наразі команда планує дослідити мозок понад 100 осіб різного віку, а також пацієнтів з різними неврологічними захворюваннями, включно з хворобою Альцгеймера та іншими формами деменції.
Це дозволить створити унікальну бібліотеку, яка продемонструє, як хвороби змінюють мозок на клітинному рівні.
Новий атлас не розкриє всіх таємниць мозку.
Проте він надає вченим значно точнішу карту, що сприятиме формулюванню більш релевантних запитань і, можливо, з часом — знаходженню відповідей на них.