На протяжении более века нейробиологи изучали человеческий мозг примерно так же, как первые картографы наносили на карты неизведанные земли: собирая обширный ландшафт из разрозненных наблюдений.
Даже сегодня патологоанатомы, диагностирующие такие расстройства, как болезнь Альцгеймера, обычно исследуют горстку образцов тканей из органа, содержащего около 86 миллиардов нейронов. Большая часть ландшафта остается невидимой.
Вот почему ученые Мозгового центра Судхи Гопалакришнан (SGBC) при Индийском технологическом институте Мадраса (IIT-M) считают, что они сделали важный шаг к заполнению одного из самых больших пробелов в нейронауке.
Они создали то, что описывают как самый детальный в мире трехмерный атлас ствола головного мозга человека с клеточным разрешением — цифровую карту, которая позволяет ученым беспрепятственно переходить от МРТ-сканов всего мозга к отдельным нервным клеткам.
Названный Anchor (Атлас нейрохимической характеристики ствола головного мозга человека с 3D-реконструкцией), он объединяет более 500 срезов тканей из мозга плодов, детей и взрослых.
Созданный на основе изображений с высоким разрешением, полученных с помощью микроскопа, а не более дорогих молекулярных методов, он формирует детальную трехмерную карту ствола мозга, идентифицируя более 200 скоплений клеток мозга и нервных путей.
Восемь химических маркеров помогают различать разные типы клеток, создавая одну из самых четких на сегодняшний день картин этой жизненно важной, но малоизученной части мозга.
Ствол мозга занимает лишь малую часть мозга, но он поддерживает жизнь человека. Он соединяет мозг со спинным мозгом и контролирует дыхание, сердцебиение, сон, бодрствование и движение.
Повреждение крошечных скоплений клеток внутри него может оказаться катастрофическим, но плотная архитектура этой области долгое время мешала попыткам детально ее картировать.
Важность Anchor заключается не просто в создании еще одной анатомической карты, а в связывании двух миров, которые в значительной степени оставались разделенными: медицинской визуализации, показывающей мозг в целом, и клеточной патологии, раскрывающей его по одной клетке за раз.
«Мы наблюдаем за visionary программой, которая ставит Индию за международный стол», — говорит Шубха Толе, индийский нейробиолог из Института фундаментальных исследований Тата, описывая проект как «беспрецедентную интеграцию» инженерии, нейронауки и медицины.
Врачи обычно начинают с осмотра всего мозга при вскрытии или ткани, удаленной во время нейрохирургической операции. Мозг взрослого человека весит около 1,2–1,5 кг, и его извилины и основные структуры могут дать важные подсказки до начала микроскопического исследования.
«Как нейропатолог, я начинаю с осмотра всего мозга невооруженным глазом, прежде чем рассматривать маленькие кусочки под микроскопом», — говорит Ребекка Фолкерт, которая сотрудничает с Гарвардской медицинской школой и Нью-Йоркским университетом и работала вместе с командой SGBC.
«При болезни Альцгеймера мы можем исследовать только от 15 до 20 срезов — лишь малую долю процента от всего органа».
Такова практика с момента новаторской работы испанского нейробиолога Сантьяго Рамон-и-Кахаля более века назад. Современная МРТ показывает весь мозг, но лишена клеточных деталей; микроскопы показывают отдельные клетки, но только в изолированных срезах.
«То, что создал индийский центр, по сути, то, о чем я мечтала в начале своей карьеры — чтобы сканы мозга соответствовали его микроскопической анатомии», — сказала Би-би-си Фолкерт, исследовавшая тысячи мозгов за более чем три десятилетия.
Anchor пытается закрыть этот разрыв.
Пользователи могут увеличить изображение от всего ствола мозга, видимого на МРТ, до отдельных нейронов, сохраняя их точные пространственные взаимосвязи. Исследователи сделали атлас свободно доступным в интернете, надеясь, что он станет справочным инструментом для нейробиологов, неврологов и нейрохирургов по всему миру.
Его применение также может выходить далеко за пределы анатомии.
Сравнивая карты здорового ствола мозга с больными тканями, ученые смогут лучше понять расстройства, начиная от болезни Паркинсона и инсульта до болезни Альцгеймера и синдрома внезапной детской смерти (СВДС). Более точные карты также могут помочь нейрохирургам с большей уверенностью ориентироваться в одной из самых деликатных областей мозга.
Anchor не является диагностическим инструментом. Вместо этого его величайшая ценность заключается в вопросах, на которые он может помочь ответить.
Партха Митра, ученый-мозговед из престижной Лаборатории Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке, который работал с SGBC, говорит, что такие детальные атласы мозга могут оказать «преобразующее воздействие» на изучение неврологических заболеваний, показывая, клетка за клеткой, чем мозг, пораженный такими состояниями, как болезнь Альцгеймера или аутизм, отличается от здорового.
Они также могут помочь объяснить, как инфекции, включая Covid-19, вызывают долгосрочные неврологические повреждения, сообщил Митра Би-би-си.
Используя инсульт в качестве примера, Фолкерт говорит, что атлас выявил новые особенности, которые могут помочь врачам сохранить ткань мозга, которая повреждена, но еще не подлежит восстановлению, потенциально улучшая результаты лечения пациентов. Другие ученые говорят, что атлас также может помочь нейрохирургам более безопасно ориентироваться в стволе мозга.
Часть привлекательности этого атласа заключается в его простоте. Созданный на основе изображений тонких срезов посмертной ткани мозга с высоким разрешением, этот подход делает детальное картирование на уровне клеток доступным.
Это, говорит Митра, позволило составить карту ствола головного мозга человека в беспрецедентном масштабе.
Это достижение отражает более широкую трансформацию в нейронауке, где прогресс все больше зависит от инженерии и вычислений, а также от биологии.
Около 20 ученых потратили 18 месяцев в SGBC, вручную анализируя более 200 срезов мозга, объединяя МРТ-сканы, микроскопическую анатомию и 3D-реконструкцию в единый цифровой атлас. Сейчас в центре работают более 200 исследователей, инженеров и техников, которые сотрудничают с партнерами по всему миру.
Результат помогает устранить удивительный пробел в нейронауке.
Ученые нанесли на карту мозг нескольких видов животных с поразительной детализацией, но человеческий мозг остается относительно неизученным, поскольку детальные исследования тканей человеческого мозга редки, сообщил Би-би-си Моханасанкар Сивапракасам, руководитель SGBC.
Это не означает, что у ученых не было атласов мозга. «Разные атласы делают разные вещи», — говорит Митра.
Атласы на основе МРТ отражают общую структуру мозга, но не отдельные клетки. Гистологические атласы картируют его архитектуру с клеточным разрешением, используя микроскопические изображения срезов тканей. Более новые молекулярные подходы идут еще дальше, определяя точную идентичность каждой клетки.
Но ученые все еще удивительно мало знают о том, как примерно 20 000 белков мозга распределены по различным областям и типам клеток — этот рубеж, вероятно, определит следующее поколение картографии мозга.
«Каждый мозг, — говорит Фолкерт, — это сундук с сокровищами новых знаний».
SGBC теперь планирует создать изображения более чем 100 целых человеческих мозгов на разных этапах жизни и при неврологических расстройствах, включая болезнь Альцгеймера и деменцию, создавая эталонную библиотеку, которая может показать, как болезнь перестраивает мозг клетка за клеткой.
Новый атлас не решит загадок человеческого мозга. Но, предоставив ученым гораздо более детальную карту, он может помочь им задавать — и в конечном итоге отвечать — на более правильные вопросы.