Вращающийся глобус и «лоскутное одеяло» изображённых на нём стран — такая карта помогает нам понять, где именно мы находимся, а также то, что государства и народы отличаются друг от друга и имеют весьма конкретные границы. Теперь подобная карта появилась и у внешнего слоя мозга — его коры, на которой каждое полушарие оказалось разделённым на 180 отдельных «стран». Причём, девяносто семь областей из них никогда не описывались ранее, несмотря на явные различия в структуре, функции и значительную связь с соседями. Новая карта мозга опубликована в Nature в 2016 году. Кстати, сам процесс в статье назван именно термином parcellation, что буквально означает «деление земли на наделы».
Иллюстрация: M. F. Glasser, D. C. Van Essen
«Каждая отдельная область на карте содержит клетки со сходными структурой, функциями и взаимосвязями. Но эти «регионы» отличаются друг от друга подобно разным странам и имеют чётко определённые границы, а также уникальную культуру», — отмечает Дэвид Ван Эссен (David Van Essen), невролог Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури, который курировал исследование.
Нейрофизиологи давно стремились разделить мозг на мелкие части, чтобы лучше понять, как он работает в целом. Одна из самых известных карт мозга разделила кору на 52 области, основанные на различном расположении клеток в ткани (теперь эти зоны известны как поля Бродмана). Более современные карты основывались на данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) — например, функциональной МРТ, которая измеряет приток крови в ответ на различные умственные задачи.
Однако, до сих пор большинство таких «картографических» исследований проводились с помощью лишь одного типа измерений, что, как отмечает Томас Йео (Thomas Yeo), нейробиолог из Национального университета Сингапура, не только не даёт полное представление о работе всего мозга, но и может ввести исследователей в заблуждение. Новая карта основана на многократных МРТ измерениях, которые максимально конкретизируют внимание на корковых областях и поэтому помогают наиболее хорошо их оценить.
Разделяй и властвуй
Чтобы построить карту, группа учёных под руководством нейробиолога Мэтью Глассера (Mathew Glasser) из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе использовала изображения, полученные у 210 здоровых молодых людей, которые участвовали в проекте «Коннектом человека» по картированию структур мозга и их функциональных связей. В исследование включили информацию о толщине коры, функциях мозга, аксональных связях между регионами, о топографической организации клеток в ткани и содержании миелина — вещества, которое отвечает за электроизоляцию аксонов.
Глассер зонировал кору головного мозга по принципу значительных изменений в двух или более свойствах, которые использовал, чтобы «расставить» границы на карте. Обработка данных велась с использованием алгоритмов машинного обучения.
«Если медленно «ползать» по поверхности коры, то в какой-то момент вы найдёте такое место, где свойства начнут меняться, или даже такое, где обнаружатся несколько независимых изменений на одном и том же месте», — отметил исследователь.
Методика подтвердила наличие 83 установленных ранее посредством посмертной микроскопии участков мозга и выявила ещё 97 новых. Учёные проверили карту, наблюдая за работой этих регионов у 210 человек. Они обнаружили то, что карта достаточно точная, но размер её зон несколько варьирует от человека к человеку. Эти различия помогут понять по-новому индивидуальную изменчивость когнитивных способностей, а также выявить риски развития заболеваний.
Грани достижимого
«Несмотря на то, что в центре внимания этой работы лежало создание красивого и усреднённого шаблона мозга, он действительно открывает возможность для дальнейшего изучения уникальных сочетаний индивидуальных особенностей с интеллектуальными и творческими способностями, то есть того, что делает каждого из нас уникальным», — говорит Рекс Юнг (Rex Jung), нейропсихолог из Университета Нью-Мехико в Альбукерке.
Но при всех очевидных плюсах минусы также есть: карта ограничена в нескольких важных аспектах. Самое важное, она очень немногое рассказывает о биохимических основах работы мозга или об активности отдельных нейронов, их небольших групп.
«Это похоже на фантастическую карту Google «Планета Земля», которая может даже продемонстрировать ваше район города или даже задний двор вашего дома. Тем не менее, вы не можете рассмотреть, как передвигаются ваши соседи, куда они собираются переместиться и какая у них работа», — говорит Юнг.
Глассер предполагал, что этот проект станет версией 1.0.
«Это не означает, что этот вариант окончательный, но то, что мы получили сейчас, гораздо лучше, чем то, что мы имели прежде», — резонно замечает учёный.
Текст: Алексей Паевский
A multi-modal parcellation of human cerebral cortex
Matthew F. Glasser, Timothy S. Coalson, Emma C. Robinson, David C. Van Essen et all.Nature (2016) doi:10.1038/nature18933