На самой подробной карте, когда-либо созданной, видно, как нейроны взрываются в мозгу «как фейерверк».

Теперь вы можете визуализировать, как отдельные нейроны активируются и зигзагообразно перемещаются по мозгу на этой невероятной серии мозговых карт.

Трехмерные карты, созданные исследователями из исследовательского кампуса Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза, представляют собой самую разветвленную сеть связей мозга, когда-либо созданную.

Эти карты не только расскажут нам больше о структуре мозга, но и помогут раскрыть некоторые секреты памяти, вкуса, осязания и многого другого у мышей и людей.

Прокрутите вниз, чтобы увидеть активацию нейронов в 3D, или посетите МышьСветовой НейронБраузер исследовать определенные области мозга

Предыдущие попытки проследить пути отдельных нейронов были ограничены — картирование около дюжины нейронов одновременно — потому что этот процесс включает в себя анализ миллионов изображений для каждого нейрона.

В частности, ученым приходится осветить нейроны внутри мозга, разрезать его на тонкие листы, отобразить их с помощью микроскопа, а затем выделить отдельные нейроны среди миллионов собранных изображений. Путем точной настройки каждого этапа этого процесса исследователи из исследовательского кампуса Джанелия смогли реконструировать всю форму и положение более 300 из примерно 70 миллионов нейронов в мозге мыши.

Это включало введение в мозг мышей вируса, который выделяет несколько десятков нейронов. Затем команда «очистила» мозг, чтобы помочь свету проникнуть в ткани, прежде чем высокотехнологичный световой микроскоп поразил мозг импульсами света. Эти импульсы высвечивали нейроны и использовались для бритья срезов мозга толщиной 200 микрометров вибрирующим лезвием бритвы. Затем весь процесс повторялся до тех пор, пока не был получен снимок всего мозга.

Каждый мозг произвел около 20 терабайт данных (что соответствует объему хранения 4000 DVD-дисков) до того, как были использованы алгоритмы для сшивания изображений вместе. Затем команда из семи обученных людей просмотрела полученный набор данных, чтобы распутать отдельные нейроны в цифровом виде.

«Эти люди постоянно занимаются трассировкой нейронов; их усилия и программное обеспечение, которое они используют, имеют решающее значение для создания высококачественных карт», — сказал нейробиолог Нельсон Спрустон, старший директор научных программ в Джанелии.

«Два года назад каждому человеку понадобилась бы неделя или две, чтобы отследить путь нейрона через мозг. Сегодня, используя алгоритмы отслеживания нейронов и программное обеспечение, разработанное MouseLight и группой научных вычислений Джанелии, каждый член команды может отслеживать примерно один нейрон в день».

Эта работа важна, потому что мы относительно мало знаем о том, как нейроны передают сообщения в мозг. Обычно нейроны изображаются как «яичница с хвостиками», и когда они отправляют сообщения через эти хвосты, известные как аксоны, соседние нейроны собирают сообщения через ветвящиеся усики, называемые дендритами. Однако эта точка зрения во многом упрощена, и необходимо больше данных, чтобы точно знать, как эти сообщения отправляются, принимаются и что может привести к деградации этих сетей.

Анализируя эти 300 нейронов, исследователи уже обнаружили, что нейроны зачастую гораздо более обширны и связаны между собой, чем считалось ранее. Например, аксоны отдельных нейронов таламуса часто разветвляются в неожиданные комбинации областей коры, например, отвечающих за вкус, осязание и движение.

Аналогичным образом, в субикулюме, области, связанной с обучением и памятью, нейроны почти всегда достигают нескольких разных мест. Один нейрон, который отследили исследователи, пробежал по коре головного мозга, посылая длинные ветвящиеся аксоны по дуге через оба полушария, как «взрыв фейерверка». Понимая, как связаны между собой эти нейроны, исследователи не только раскрывают секреты формирования воспоминаний, но и могут выяснить, почему некоторые люди ощущают вкус еды иначе, чем другие, и как такие заболевания, как болезнь Альцгеймера, могут влиять на функцию мозга.

«Триста нейронов — это только начало», — сказал нейробиолог Джаярам Чандрашекар, руководитель проекта Janelia. МышьСвет команда. Он и его коллеги планируют отследить еще сотни нейронов в ближайшие месяцы.

Нейробиолог Ева Мардер из Университета Брандейса и член Джанелии добавила: «Мы знали, что разные области мозга общаются друг с другом, но видеть это в 3D — это другое. Результаты настолько ошеломляющие, потому что они дают вам действительно четкое представление о том, как связан весь мозг».

Команда сообщила о выпуске своего текущего набора данных и инструмента анализа под названием МышьСветовой НейронБраузер13 ноября 2017 г. на ежегодном собрании Общества нейронаук в Вашингтоне, округ Колумбия.

Изображения/Видео: Исследовательский кампус Джанелия, команда проекта MouseLight