Коннектом

Мозг состоит из миллиардов клеток, организованных в сложные сети, и современные нейробиологи заняты составлением человеческого коннектома — подробной карты всех синаптических связей. Такая карта, безусловно, окажется полезной, однако все равно не объяснит нам всего, что нам хотелось бы знать о работе мозга.

Мозг содержит около 90 миллиардов нейронов и по габаритам примерно близок к двум сжатым кулакам, но важен не суммарный его размер и не сами клетки. Связи между нейронами — вот что значимо. Головной мозг состоит из огромного количества специализированных областей, связанных толстыми пучками нервных волокон, именуемых трактами белого вещества, а нейроны внутри каждой области формируют высокоточные синаптические связи друг с другом.

Становится все бесспорнее: для лучшего понимания мозга нам потребуется подробное знание о связях внутри различных частей мозга и между ними; необходимо также помнить, что функции отдельных нейронов в значительной мере определяются связями, которые они образуют с другими клетками. Ныне общепринято, к примеру, считать, что формирование памяти связано с усилением синапсов внутри сети нейронов и что заболевания типа инсульта могут быть разрушительны не только потому, что убивают клетки, но и потому, что прерываются протяженные нейронные связи.

В 2009 году Американский государственный институт здоровья запустил проект «Коннектом человека». Эта пятилетняя программа стоимостью в миллионы долларов аналогична «Геному человека», ее цель — сконструировать подробную карту связей в здоровом человеческом мозге. Замах немалый: мозг содержит примерно квадриллион синапсов. Тем не менее сотни занятых в проекте исследователей имеют в своем распоряжении множество методик, которые призваны помочь им составить карту мозга различных биологических видов, в разных масштабах.

«Вы есть ваш коннектом» Себастиан Синг, корейско-американский компьютерный нейробиолог (2011)

Рано или поздно, когда соберется достаточно данных, их можно будет объединить и составить карту, содержащую информацию начиная с клеточного уровня и до масштабов глобальных связей. Исследователи считают, что такая карта не только существенно повлияет на наше понимание мозга, но и поможет в исследованиях неврологических недугов типа болезни Альцгеймера, аутизма и шизофрении.

Орудия мозговиков

Исследователи нейронных связей применяют самые разнообразные методы.

Электронная микроскопия

Электронный микроскоп испускает на специальным образом подготовленные препараты мозговой ткани поток электронов и может увеличивать образец в 10 миллионов раз и открывать взорам исследователей мельчайшие подробности живой ткани. Этим методом в 1950-х годах ученые добыли первые изображения синапсов, а в 1980-х с его помощью составили первый полный коннектом — червя-нематоды Caenorhabditis elegans.

Маркировка флуоресцентными красителями

К препаратам мозговой ткани можно применять кристаллы флуоресцентных красителей. Эти красители липофильны («любят жиры») и поэтому связываются с жировым слоем мембран нервных клеток и, если оставить препарат на несколько дней, краситель перемещается вдоль нервных волокон. Затем препарат можно рассмотреть под микроскопом и выяснить путь пролегания нервного волокна в ткани. Эту методику часто применяют для выяснения нервных связей у животных, однако ее можно задействовать и при изучении мозга умерших людей.

Диффузионно-тензорная визуализация

ДТВ — разновидность МРТ (магнитно-резонансной томографии), которая регистрирует движение молекул воды вдоль нервных волокон в живом человеческом мозге. Она применима для визуализации нервных путей белого вещества, формирующих протяженные связи между областями мозга.

Генетические методы

Два недавно разработанных метода позволяют исследователям визуализировать нейронные сети и синаптические связи с беспрецедентной точностью. Ученые из Калифорнии, применив генную инженерию, создали модифицированный вирус бешенства, производящий флуоресцирующий белок. Если ввести его в нейрон, он пробегает по синапсам и «высвечивает» все клетки, с которыми образует связи.

Еще один генетический метод, получивший название «Брейнбоу», разработали ученые Гарвардского университета. Они вырастили лабораторных мышей с измененным геномом — в их клетках содержится набор генов, кодирующий пять-шесть флуоресцентных белков разных цветов.

Гены организованы так, что каждый нейрон синтезирует случайную комбинацию двух или трех флуоресцентных белков, в результате чего получается палитра из примерно 100 разных оттенков. После чего можно рассечь мозг и изучить под микроскопом флуоресцентно маркированные нейроны.

Великое неизведанное

Хотя методов детального анализа связей человеческого мозга у нас по-прежнему нет, в будущем развитие техники позволит нам составить подробную карту мозга. А пока мы можем многое узнать от мышей и обезьян — их мозги похожи по устройству на наши. Нет сомнений, что человеческий коннектом прольет свет на работу мозга, однако даже по коннектому нематоды ученые уже понимают: у этого знания есть ограничения. Понятие коннектома никак не учитывает роль генов и то, как их взаимосвязь с окружающей средой влияет на наше поведение. Оно никак не учитывает и влияния глиальных клеток, особенно астроцитов, имеющих важнейшее значение для функционирования мозга. Еще одно существенное ограничение: хотя мозг всех людей имеет одно и то же базовое устройство, у разных людей замечены существенные структурные вариации. Поэтому нет и не может быть «типичного» мозга. А значит, исследователям предстоит составить коннектомы как можно большего количества разных мозгов — и лишь тогда они получат подобие обобщенной карты человеческого мозга. Более того, мозг — устройство чрезвычайно динамичное, а связи в нем постоянно меняются. Статическая карта связей никак не сможет учесть этих изменений, и для того, чтобы установить, как со временем меняются нейронные связи, возможно, понадобится составить множество коннектомов отдельных людей.

А червь и ныне там

Caenorhabditis elegans — круглый червь всего 1 мм в длину и с нервной системой из 304 нейронов. Исследователи занялись составлением его коннектома в 1970-х годах: они шинковали червя на сотни кусочков и при помощи электронного микроскопа визуализировали каждый срез, после чего собрали все полученные образы воедино и создали карту всех 5 000 связей в нервной системе подопытного. Процесс занял более десяти лет, и вот в 1986 году коннектом наконец обнародовали. Многим подумалось, что карта коннектома C. elegans приведет к громадному скачку в нашем понимании нервной системы этого крошечного существа, но увы. Даже почти через 30 лет после той публикации мы по-прежнему не знаем, как нервная система C. elegans — очень простая по сравнению с нашей — формирует поведение этого червя.