Содержание:
Коннектом и коннектомика: что это такое
Мозг — сложный орган. Он состоит из нейронов, которые соединены друг с другом. В местах их контакта (синапсах) есть маленькие щели. Сами синапсы — это структуры, которые можно рассмотреть в мощные электронные микроскопы.
Когда один нейрон хочет «передать сообщение» другому, он выделяет специальные химические вещества — нейромедиаторы. Они переходят через синаптическую щель и воздействуют на соседнюю клетку, вызывая в ней электрический сигнал. Так нейроны обмениваются информацией: тем самым они влияют на мышление, эмоции и поведение.
На протяжении веков исследователи изучали структуру мозга, его клеточный состав и биохимические свойства. Но организация связей между разными участками до недавнего времени оставалась загадкой. Развитие компьютерных технологий, искусственного интеллекта (ИИ) и методов анализа больших данных дало возможность решить эту задачу. Возникла новая область знаний — коннектомика.
Наука занимается анализом связей в мозге и их картированием (процесс создания подробных карт участков мозга). Она отвечает на вопрос, как отдельные нейроны и их объединения взаимодействуют между собой, влияя на мысли и чувства.
Главный объект внимания этой науки — коннектом. Это карта нейронных путей и связей в мозге. Коннектом можно сравнить со схемой проводов в техническом устройстве, только гораздо более запутанной.
Термин предложили в 2005 году ученые Олаф Спорнс, Рольф Кеттер, Джулио Тонони и Патрик Хагманн. Понятие образовалось по аналогии с геномом. Если геном — это полный набор генов, то коннектом — полная карта нейронных связей. Ученые выявили, что у каждого человека она уникальна. Коннектом отличается даже у двух генетически идентичных людей — однояйцевых близнецов.
Подробная карта всех мозговых связей человека еще не составлена. Это связано с тем, что этот орган очень сложно устроен. Он состоит примерно из 86 млрд нейронов, которые образуют 100 трлн связей друг с другом. Чтобы картировать их, нужно проанализировать огромное количество данных. В настоящее время ученые изучают мозг, составляя коннектомы отдельных участков мозговой коры.
Нейробиолог Себастьян Сеунг, профессор института нейронауки Принстонского университета, также отметил, что карта связей со временем меняется. Новые соединения создаются, другие разрушаются. На эти изменения влияет нейронная активность. Она, в свою очередь, зависит от умственного опыта, восприятия, познания. Проще говоря, опыт человека может изменить его коннектом.
Ключ к лечению болезней и загадкам разума
Ученые анализируют нейронные связи, чтобы лучше понять, как устроен и работает мозг. Это важно по нескольким причинам.
Лечение заболеваний
На ранних стадиях болезней карта связей позволяет заметить нарушения до появления серьезных симптомов и быстрее начать лечение.
Алексей Осадчий, доктор физико-математических наук, специалист в области обработки сигналов активности мозга, нейровизуализации и нейроинтерфейсов, директор Центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ:
«Сетевая структура мозга — центральная догма в нейронауке. Многие нейродегенеративные заболевания связаны с нарушением коммуникации между структурами мозга. Где-то нарушаются локальные связи, где-то — более дальние, они же лежат в основе сбоев в работе нервной системы. При нарушении проводимости кортикоспинальных трактов (пучков нервных волокон, по которым идут сигналы, управляющие движением. — «РБК Тренды»), например, человек теряет возможность двигать конечностями или ощущать их.
Уже опубликовано немало работ, которые описывают применение нейросетевых методов для диагностики заболеваний — депрессии, болезни Альцгеймера, деменции. Причем входной информацией служат именно параметры коннектома».
В будущем с развитием коннектомики врачи смогут лучше подбирать лекарства, а также прогнозировать, как организм пациента ответит на те или иные методы лечения. Картирование мозга, скорее всего, будет дополнять используемые методы диагностики.
Геннадий Князев, доктор биологических наук, заведующий лабораторией дифференциальной психофизиологии Научно-исследовательского института нейронаук и медицины (ФГБНУ «НИИНМ»), Новосибирск:
«Накоплено очень много данных об изменении коннектома при разных видах психопатологии. Эти данные помогают понять механизмы возникновения болезней. Они используются также для оценки методов реабилитации. Индивидуальная диагностика — дело другое. Эти показатели, как и все остальные показатели активности мозга, очень вариабельны.
Если при сравнении групп больных и здоровых находят статистически достоверные различия, это не значит, что точно такие же различия можно увидеть при сравнении любого больного с любым здоровым. Поэтому вряд ли можно ожидать, что будут когда-то делать диагностику болезней исключительно по данным нейровизуализации».
Изучение и улучшение функций мозга
С помощью карты связей специалисты изучают, как устроен интеллект, какие сети отвечают за разные таланты и личные качества.
Также исследования коннектома позволяют по-новому взглянуть на старение человека. Составляя карту изменения нейронных связей с течением времени, ученые получают представление о критических периодах в развитии. Эти знания в будущем помогут создать новые методы для поддержания когнитивного здоровья (способность ясно мыслить, учиться и помнить).
Развитие искусственного интеллекта (ИИ)
В сфере машинного обучения коннектом вдохновляет ученых на проектирование искусственных нейросетей. Имитируя структуру и функции мозга, исследователи, возможно, создадут еще более мощные системы ИИ.
Методы картирования мозга
Коннектомика объединяет нейробиологов, биологов и инженеров, обрабатывающих большие данные. Для исследования связей специалисты используют разные методы.
- Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Помогает увидеть, какие области мозга работают вместе, когда орган выполняет какую-то задачу — думает, вспоминает или просто отдыхает.
- Трактография. Это метод визуализации нервных волокон. Проводится с помощью магнитно-резонансного томографа (МРТ). Показывает, как молекулы воды проходят вдоль нервных волокон — трактов белого вещества, и тем самым позволяет оценить их целостность.
- Микроскопия. С помощью мощных микроскопов ученые могут рассмотреть мельчайшие детали — например, работу нейронов внутри мозга животных в ходе экспериментов.
- Методы машинного обучения. Алгоритмы помогают обрабатывать большие объемы данных о нейронных связях, находить в них закономерности.
- 3D-моделирование. Чтобы глубже понять работу мозга, ученые создают специальные модели. В них нейроны изображают в виде точек (узлов), а их соединения — в виде линий. Такие модели позволяют увидеть, как устроены и работают нейронные сети, а также показывают, как структура мозга меняется со временем.
Проекты по исследованию коннектома
Ранние работы
Первые шаги к изучению связей мозга ученые сделали во второй половине XX века. В 1986 году группа во главе с британским биологом, руководителем лаборатории молекулярной биологии Кембриджского университета Сиднеем Бреннером составила первую полную карту нервной системы маленького червя C. elegans. В ней 302 нейрона, поэтому картировать все связи было технически возможно.
Карта C. elegans показала, какой путь проходит сигнал внутри организма, чтобы вызвать определенное поведение, например реакцию на отложение яиц или прикосновение.
В 2008 году группа исследователей во главе с профессором Патриком Хагманном, руководителем лаборатории коннектомики Университета Лозанны, впервые визуализировала связи между участками мозговой коры человека.
Они заметили, что у разных людей карта таких соединений различается. Это подтвердило гипотезу, что мозг каждого человека уникален не только по объему серого и белого вещества, толщине коры, но и по структуре связей между нейронами.
Проект «Коннектом человека»
Для дальнейших выводов нужны были данные от большого числа людей. Для этого американские ученые и Департамент здравоохранения США в 2009 году запустили проект «Коннектом человека» (Human Connectome Project, HCP).
Исследователи из разных университетов мира собрали данные тысяч добровольцев с помощью мощных МРТ-сканеров. Результатом стал уникальный по детализации и содержанию атлас. В нем ученые выделили разные участки мозга по их функциям и связям с другими зонами. В каждом полушарии насчитали по 180 разных сегментов, многие из которых не были известны ранее.
Каждую из этих областей можно представить как небольшой отдел внутри большой компании. Например, есть отдел, который занимается анализом визуальной информации, рядом — тот, что отвечает за движение, еще один участвует в планировании и так далее. Разные участки решают задачи совместно.
Когда основной этап HCP завершился в 2021 году, на его основе стали проводить новые исследования. Отдельные проекты сосредоточились на изучении мозга подростков, страдающих депрессией, другие — на анализе изменений коннектома у пожилых людей. Исследования продолжаются: их результаты в будущем могут помочь в разработке новых методов диагностики и лечения разных заболеваний.
Проекты Google
В последнее десятилетие к изучению нейронных связей подключилась компания Google. Вместе с ведущими университетами и учеными ее специалисты проводят масштабные исследования.
Например, в 2021 году Google в сотрудничестве с Гарвардским университетом завершила уникальный проект H01. Ученые обработали более 1,4 Пб данных, чтобы создать трехмерную карту небольшого фрагмента человеческого мозга с высокой детализацией. Исследователи разрезали ткань органа на тысячи ультратонких срезов и просветили их мощными электронными микроскопами. Благодаря этому получилось рассмотреть не только клетки, но даже отдельные контакты между ними — синапсы.
В 2024 году Google и Институт науки и технологий Австрии (ISTA) представили новый способ изучать связи между нейронами с помощью светового микроскопа. Чтобы увидеть мельчайшие детали, ученые нарастили размер ткани с помощью особого геля.
Для этого специалисты использовали фрагменты мозга, которые были анонимно пожертвованы пациентами во время нейрохирургических операций (например, при лечении эпилепсии иногда удаляют небольшой участок здоровой коры, чтобы получить доступ к ее более глубоким слоям). Затем ученые пропитали мозговую ткань гидрогелем, из-за чего она увеличилась в несколько раз. Так удалось рассмотреть отдельные связи между нейронами в обычный световой микроскоп. После этого с помощью специальных красителей «подсветили» белки, синапсы и другие молекулы разными цветами.
Такой метод помогает увидеть, как нейроны соединяются друг с другом, а также различать между собой их типы и функции. Это позволяет быстрее создавать детальные цветные карты мозга, на которых сразу видны и связи, и особенности клеток.
Проект MICrONS
В апреле 2025 года группа исследователей из Института Аллена, Медицинского колледжа Бейлора, Принстона (США) и других учреждений представила самую крупную и подробную карту связей мозга млекопитающего. Она показывает не только структуру, но и работу нейронов.
Для картирования ученые изучили 1 куб. мм зрительной коры мыши и реконструировали более 200 тыс. клеток. Из них около 82 тыс. — нейроны. В этой крошечной области нашли около 500 млн синапсов.
На уровне отдельных типов нейронов и их связей мозги мыши и человека схожи. Поэтому ученые считают, что анализ коннектома животного поможет понять, как возникают сбои в работе нейронных цепей при болезни Альцгеймера или рассеянном склерозе у людей. Это, возможно, позволит найти новые подходы к лечению.
Инфраструктура EBRAINS
Известный европейский проект по картированию мозга Human Brain Project (HBP) стартовал в 2013 году и завершился в 2023-м. Его целью было разработать новые инструменты и технологии для изучения человеческого мозга.
В рамках проекта в 2019 году создали цифровую исследовательскую платформу EBRAINS (European Brain Research Infrastructures). Она включает базы данных о структуре и функциях мозга, инструменты для моделирования, цифровые карты органа. EBRAINS позволяет моделировать нейронные связи и помогает специалистам из разных стран обмениваться научными данными.
Китайский проект «Коннектом человека»
Chinese Human Connectome Project (CHCP) — научное исследование, запущенное в 2017 году. В его рамках специалисты анализируют коннектом у жителей Восточной Азии, в первую очередь у китайцев.
Главная цель CHCP — узнать, влияют ли на мозг особенности окружающей среды и образа жизни. Ученые уже представили некоторые выводы. Сравнение данных CHCP и проекта «Коннектом человека» показало, что мозг людей из разных культур — китайской и западной в целом устроен похоже. У них обнаружены общие черты в структуре, функциях и связях. Но есть и различия — в областях, связанных с языком и сложными мыслительными процессами. Эти результаты в будущем помогут понять, как культура и среда определяют поведение человека.
Исследования в России
В России коннектом изучают разные научные институты, в том числе Институт мозга человека им. Н.П.Бехтеревой РАН (Санкт-Петербург), Центр биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ, Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины (Новосибирск) и другие.
Геннадий Князев:
«Наша научная группа [лаборатории дифференциальной психофизиологии ФГБНУ «НИИНМ»] опубликовала порядка 50 работ, в которых использовались методы коннективности. Мы, в частности, были в числе небольшого количества групп в мире, начавших использовать электрофизиологические данные для изучения функций DMN (Default Mode Network, система областей мозга, которые проявляют активность, когда человек не сосредоточен на чем-то. — «РБК Тренды»).
DMN преимущественно вовлечена в процессы интроспекции (самонаблюдения), а сети внимания (области мозга, отвечающие за внимание и концентрацию. — «РБК Тренды») — в реагирование на внешний мир. Поддержание их баланса на оптимальном уровне важно для сохранения психического здоровья. Этот баланс нарушается, например, при депрессии».
В одном из исследований группа Геннадия Князева проанализировала работу мозга, когда люди думают о себе и о других — как о близких, так и о незнакомцах. Когда человек оценивает друга или родственника, активнее работают области, связанные с самонаблюдением. Если речь идет о незнакомцах, сильнее задействуются участки, отвечающие за внимание к окружающему миру. По мнению ученых, это значит, что мы воспринимаем посторонних как внешние объекты, а близких — как часть себя.
Алексей Осадчий:
«Нас [Центр биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ] прежде всего интересуют методические вопросы. Например, мы разработали семейство методов, опубликованных в журнале Neuroimage под общим названием PSIICOS (Phase Shift Invariant Imaging of Coherent Sources). Они позволяют обнаруживать участки коры головного мозга, необходимые для выполнения той или иной когнитивной или моторной задачи и вовлеченные в процессы обмена информацией».
В 2024 году в Институте мозга человека им. Бехтеревой началась реализация нового проекта. В нем ученые разрабатывают стандарты для анализа фМРТ-данных. Это поможет сравнивать результаты разных экспериментов и отслеживать, как меняются связи между отделами мозга при выполнении разных задач. Сейчас из-за отсутствия таких стандартов получаемые результаты сложно сопоставлять. Проект поможет улучшить качество и точность исследований коннектома в России и выйти на уровень мировых стандартов.
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.