По текущим оценкам, в среднем человеческий мозг содержит 86 миллиардов нейронов. Эти нейроны соединяются друг с другом в сложную сеть, насчитывающую 100 триллионов соединений. Задача нейробиологов состоит в том, чтобы составить карту всех этих связей и увидеть, как они работают, – задача не из легких. Существует множество подходов к решению этой задачи.
Сначала нейробиологи просто изучали мозг и описывали его макроскопические (или “грубые”) анатомические структуры. Мы видим, что существуют различные доли мозга и основные соединительные кабели. Вы также можете разрезать мозг на части и увидеть его внутреннюю структуру. Когда был разработан микроскоп, мы смогли рассмотреть микроскопическую структуру мозга, и, используя различные методы окрашивания, мы смогли визуализировать разветвленную структуру аксонов и дендритов (частей нейронов, которые соединяются с другими нейронами), мы смогли увидеть, что существуют разные виды нейронов, различные слои в мозге. кора головного мозга и множество проводящих путей и узлов.
Но даже когда у нас была подробная карта нейроанатомии мозга вплоть до микроскопического уровня, нам все равно нужно было знать, как все это функционирует. Нам нужно было увидеть нейроны в действии. (Кроме того, в мозге есть множество не нейрональных клеток, таких как астроциты, которые также влияют на работу мозга.) Сначала мы смогли сделать вывод о том, как функционируют разные части мозга, обследовав людей с повреждением одной части мозга. Повреждение левой височной доли у большинства людей приводит к нарушению речи, поэтому эта часть мозга должна быть задействована в обработке речевых сигналов. Мы также могли бы провести исследование на животных всех функций мозга, кроме самых важных.
По мере появления новых методов наша способность составлять карты функций мозга росла. Мозг, по сути, является электрическим органом, поэтому мы могли бы измерить его электрическую (а позже и магнитную) активность, чтобы увидеть активность в различных частях мозга в режиме реального времени. Современные компьютеры позволяют проводить очень детальный анализ этих электрических сигналов. Мы также могли бы электрически стимулировать мозг, чтобы увидеть, что происходит, – подход, противоположный наблюдению за повреждениями. Другой подход к визуализации функций мозга заключался в изучении обмена веществ. Нейроны испытывают голод, потому что на выполнение своей работы уходит много энергии, поэтому мы могли бы посмотреть на показатели метаболизма, чтобы увидеть, какие участки клеток мозга были активны. Этот метод используется при ПЭТ-сканировании и функциональной МРТ.
С каждым новым методом наши знания о соединениях в мозге и их функциях (коннектоме) росли. Но опять же, с учетом 86 миллиардов нейронов и 100 триллионов связей становится ясно, что мы все еще далеки от полной карты коннектома. Более того, организация и функции мозга чрезвычайно сложны, бросая вызов даже нашим базовым представлениям о том, как он работает. Например, можем ли мы понимать мозг как набор нейронных сетей или как комбинацию модулей (узлов) нейронов с определенной функцией? Похоже, что ответ, скорее всего, заключается в том и другом – существуют сети модулей, и эти модули могут выполнять разные функции, участвуя в разных сетях. Поэтому мы даже не можем ответить на вопрос о том, что делает этот участок мозга. Реальный ответ заключается в том, что это зависит от того, в каких сетях в данный момент участвует данный участок мозга.
Если мы хотим полностью понять функции мозга, одним из методов может быть обнаружение в реальном времени полной активности всех 86 миллиардов нейронов. Другим методом было бы смоделировать активность 86 миллиардов нейронов на суперкомпьютере, и эти два метода дополняют друг друга. Но мы еще очень далеки от того, чтобы представить активность мозга на таком высоком уровне детализации. Несмотря на постоянное развитие, современные технологии имеют низкое разрешение по сравнению со сложностью мозга. Некоторые недавние достижения показывают, где мы находимся.
Метод, известный как микроскопия световых шариков, позволил (на мышах) в режиме реального времени получить изображение одновременной активности одного миллиона нейронов. Это настоящий подвиг, хотя по-прежнему почти на четыре порядка меньше, чем у всего человеческого мозга. Новая статья называется “Высокоскоростная объемная запись нейроактивности по всей коре головного мозга с клеточным разрешением с использованием световой микроскопии”.
Это основано на методе использования лазеров для активации флуоресцентных меток в нейронах. Лазер воздействует на нейрон с флуоресцентной меткой в течение нескольких наносекунд, заставляя нейрон на короткое время светиться таким образом, чтобы можно было определить его текущее состояние активности. Этот метод работает в тканях, которые рассеивают свет и, следовательно, непрозрачны (как мозг). Несмотря на свою эффективность, этот метод имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что более высокое разрешение и объем изображения достигается при существенной потере скорости. Именно в этом заключается новое достижение.
Исследователи смогли усовершенствовать этот метод, чтобы добиться практически максимальной скорости:
Метод заключается в разбиении одного мощного импульса на 30 более мелких субимпульсов – каждый с разной интенсивностью – которые проникают на 30 различных глубин мозга рассеивающей мыши, но вызывают одинаковое количество флуоресценции на каждой глубине. Это достигается с помощью набора зеркал, которые изменяют время подачи каждого импульса и гарантируют, что все они смогут достичь заданной глубины с помощью одной фокусирующей линзы микроскопа.
При использовании этого метода ограничивающим фактором в том, насколько быстро они могут регистрировать активность нейронов, является время, необходимое для того, чтобы загорелась сама флуоресцентная метка. Таким образом, это, по сути, самое быстрое, что может обеспечить этот метод. Исследователи смогли продемонстрировать этот метод, визуализировав миллион нейронов одновременно по всему мозгу мыши. Еще одна хорошая новость заключается в том, что в этом методе используется то же оборудование, что и в двухфотонной микроскопии, которая уже используется, и она может быть быстро внедрена в нейронаучных лабораториях по всему миру.
Нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы сможем измерить и смоделировать одновременную активность всего человеческого мозга. Но миллион нейронов по-прежнему является мощным инструментом для понимания функций мозга. Надеемся, что вскоре мы увидим некоторые результаты применения этого метода. Также возможно, что дальнейшие постепенные усовершенствования сделают его еще более мощным в будущем.
