Изучение головного мозга

К основным научным задачам в области изучения головного мозга относят, в первую очередь, исследования принципов работы мозга и его функций, понимание сущности мыслительной деятельности. Одним из главных подходов в изучении является моделирование.

Интерес к этому направлению набирает популярность и близко пересекается с такими нейронауками как нейрофизиология, электрофизиология, системная биология и многими другими.

В данной статье рассматриваются современные экспериментальные подходы к изучению мозга, представлены мировые научные проекты, и освещены последние экспериментальные достижения.

Сложность моделирования мозга

Согласно современным представлениям, головной мозг человека содержит около 86 миллиардов нервных клеток (две трети из которых находятся в мозжечке), один миллион километров нейронных отростков и один квадриллион межнейронных контактов. Это приводит к возможности существования примерно 10¹ºººººº возможных вариантов комбинаций.

Каждая нервная клетка имеет от 5 до 10 тысяч контактов с другими (в зависимости от ее расположения), по которым поступают в клетку «входящие сигналы». Исходящие сигналы выводятся из клетки по аксону – единичному отростку клеточной мембраны. Исключением являются дофаминовые нейроны, расположенные в среднем мозге – они проецируются в переднюю область мозга, кору и лимбическую систему и имеют до 5 миллионов связей. 

Все это приводит к тому, что на сегодняшний день моделирование работы мозга является очень сложной задачей. Так, к примеру, самая масштабная на текущий момент модель была создана командой японских ученых и представляла собой расчет 1 секунды активности 1% нейронов головного мозга. И даже этот результат потребовал 40 минут работы четвертого по мощности суперкомпьютера в мире (K-computer).¹

Методы изучения мозга

➥ Основная статья: Научные методы исследования головного мозга

К методам изучения головного мозга можно отнести элетрофизиологические методы, методы визуализации и методы, позволяющие вмешиваться непосредственно в работу самого мозга.

Электрофизиологические методы

Электроэнцефалография (ЭЭГ, англ. electroencephalography, EEG) – неинвазивный метод, позволяющий регистрировать биоэлектрическую активность мозга с поверхности скальпа черепа.

➥ Основная статья: Электроэнцефалография

Магнитоэнцефалография (МЭГ, англ. magnetoencephalography, MEG ) – метод, основанный на регистрации магнитного поля, которое формируется за счет электрической активности нейронов.

Электрокортикография (ЭКоГ, англ. electrocorticography, ECoG) – это инвазивный метод изучения мозга, регистрирующий активность нейронов, в основе которого лежит регистрация электрических потенциалов с помощью суперкортикально (эпидурально или субдурально), интракортикально или субкортикально расположенных электродов.

➥ Основная статья: Электрокортикография

Микроэлектродные методы – включает методы изучения работы мозга с использованием микроэлектродов, которые погружаются в глубь ткани, либо непосредственно в саму клетку для регистрации биопотенциалов. К ним можно отнести регистрацию активности одиночного нейрона, мультиюнитной активности, потенциала локального поля, а также patch clamp и dynamic clamp методы.

➥ Основная статья: Микроэлектродный метод измерения мембранного потенциала

Оптические методы

Кальциевый имиджинг (англ. Calcium imaging) – представляет собой оптический метод визуализации локальной концентрации кальция в клетках или тканях. Проводится с использованием флуоресцентных индикаторов, включая небольшие химические индикаторы и генетически кодированные индикаторы кальция (GECI), которые изменяют спектральные свойства при связывании с ионами кальция. Основным недостатком данного метода по сравнению с электрофизиологическими заключается в низком временном масштабе от десятков до сотни миллисекунд.

➥ Основная статья: Calcium imaging

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ, англ. functional magnetic resonance imaging, fMRI) измеряет активность мозга, обнаруживая изменения, связанные с кровотоком. Этот метод основан на том факте, что мозговой кровоток и нейронная активация связаны между собой. Когда активируется какая-либо область мозга, приток крови к этой области увеличивается. Первичная форма МРТ использует контраст, зависящий от уровня кислорода в крови (BOLD). Это тип специализированного сканирования мозга и тела, который используется для картирования нейронной активности в головном или спинном мозге людей или других животных путем визуализации изменения кровотока (гемодинамического ответа), связанного с изменением метаболических процессов в нейронах.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ, англ. positron emission tomography, PET) – метод основанный на сканировании распределения в мозговом кровотоке химических элементов, меченных радиоизотопными индикаторами. Детекторы, расположенные вокруг объекта, регистрируют сигналы, а последующая компьютерная обработка полученных данных позволяет сформировать трехмерную модель распределения радионуклидов в головном мозге.

Имиджинг с использованием 2-дезокси-D-глюкозы (англ. imaging with 2-deoxy-D-glucose)- данный метод основан на введении в организм молекул 2-дезоксиглюкозы, меченных тритием или углеродом-14, что позволяет регистрировать распределение глюкозы в организме методом радиографии. Также используется в качестве визуализирующего агента в позитронно-эмиссионной томографии.

VSD (англ. Voltage-sensitive dyes) имиджинг – в данном методе используют специальные красители, которые изменяют свои спектральные свойства в ответ на изменения напряжения. Они способны обеспечить линейные измерения активности как одиночных нейронов, так и крупных нейронных популяций.

Методы, позволяющие вмешиваться непосредственно в работу самого мозга

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС, англ. Transcranial magnetic stimulation, TMS) – неинвазивный метод стимуляции нейронов головного мозга переменным магнитным полем при помощи магнитного стимулятора. Регистрация результатов осуществляется с помощью электромиографа, который регистрирует вызванный моторный соответствующих периферических мышц согласно их топографическому представительству в коре.

➥ Основная статья: Транскраниальная магнитная стимуляция

Микростимуляция – инвазивный метод изучения головного мозга, основанный на введении в кору, либо срезы мозга микроэлектродов и стимуляции отдельных ее участков или отдельных клеток.

Оптогенетика – суть заключается в создании трансгенного организма, в мембранах нейронов которого находятся светочувствительные рецепторы, влияющие на открытие или закрытие ионных каналов, тем самым вызывая процессы возбуждения или торможения. Возможна широкая вариация свойств рецепторов – от локализации в конкретных клетках и условий синтеза белка до восприимчивости к определенной длине волны.

Хемогенетика – метод основан на вживлении в отдельные нервные клетки животного новых, ранее не существовавших у него рецепторов, чувствительных к строго определенному соединению, для избирательной активации данных нейронов. Важно отметить, что используемое соединение не должно оказывать физиологического воздействия на прочие клетки.

Современное состояние области

Количество научной информации, накопленной на данный момент, крайне велико – по данным проекта Human Brain Project опубликовано более 30 миллионов статей в области «neuroscience». Кроме того, в мире существует более шестисот научных журналов, посвященных мозгу и его функциям.

Для того, чтобы иметь возможность анализировать весь этот объем информации можно использовать несколько приемов. К ним относятся:

• Систематический просмотр и чтение научных журналов;
• Работа с базами научных статей – отслеживание новых публикаций, подписка на сообщения о статьях с ключевыми словами;
• Просмотр новостных лент по теме исследований мозга;
• Чтение обобщающих обзорных выпусков научных журналов;
• Посещение ключевых научных конгрессов и конференций;
• Обмен информацией с коллегами.

➥ Основные источники

Краткий обзор современных программ исследований в области нейронаук

Программы изучения головного мозга действуют во всем мире. Особенно следует выделить следующие: 

• Human Brain Project (EC), стартовавшую в 2013; 
• BRAIN Initiative (США), стартовавшую в 2014; 
• Brain/MINDS (Япония), стартовавшую в 2014; 
• Korea Brain Initiative (Южная Корея), стартовавшую в 2016; 
• China Brain Project (Китай), стартовавшую в 2017.

Программа Human Brain Project является первым междисциплинарным проектом, рассчитанным на 10 лет (2013-2023 гг.), который исследует работу мозга на 5 уровнях:

1. Молекулярном;
2. Клеточном;
3. Цито-архитектоническом;
4. Зональном;
5. Органном.

В данном проекте участвуют такие направления, как: нейроинформатика, симуляция головного мозга, этика и социология, медицинская информатика, молекулярная и клеточная нейрология, теоретическая нейрология, высокопроизводительные вычислительные системы, нейроморфные вычисления, нейроробототехника  и когнитивная нейрология. Эта программа в значительной степени направлена на развитие информационных технологий, робототехники и искусственного интеллекта.

Данная программа координирует работу ведущих европейских специалистов в области нейробиологии.

Американская программа BRAIN Initiative, рассчитана на срок до 2025 г. и направлена на получение фундаментальных знаний о работе нервной системы. Участники данного проекта считают наиболее перспективной областью работы анализ сетей взаимодействующих нейронов. В качестве важнейшей миссии указывается разработка и интеграция новых технологических и концептуальных подходов для решения вопросов о том, как динамические паттерны нейронной активности становятся мышлением, эмоциями, восприятием и принятием решений в здоровом и больном мозге. Конечной целью постулировалась регистрация активности всех нейронов головного мозга подопытных: дрозофилы, землеройки, мыши, собаки, шимпанзе и человека.

Начатая в Японии программа Brain/MINDS своей целью указала переход от исследований головного мозга грызунов к головному мозгу приматов. Для этого в качестве основного объекта была выбрана обезьяна-капуцин. Параллельно в рамках этой программы проводятся работы по созданию трансгенных животных для моделирования патологий нервной системы и визуализации активности мозга.

Китайская программа China Brain Project состоит из трех основных ветвей: фундаментальные исследования в области изучения высших когнитивных функций головного мозга, ранняя диагностика заболеваний мозга и развитие технологий, вдохновленных работой мозга: нейрокомпьютерных интерфейсов и новых поколений искусственного интеллекта. Конкретными направлениями разработок являются: исследование нейрональной активности головного мозга высших приматов, получение трансгенных особей исследуемых животных и проведение масштабных нейромедицинских проектов за счет большого количества пациентов с требуемыми патологиями.

Основные задачи BRАIN Initiative формулируются следующим образом:

1. Изучение разнообразия: Идентификация и экспериментальное получение доступа к различным типам нервных клеток для определения их роли в здоровом состоянии и при патологии.
2. Картографирование в различных масштабах: Создание схем, масштаб которых варьируется от отдельного нейрона до целого мозга.
3. Работа мозга: Создание динамического изображения функционирующего мозга через разработку и применение улучшенных методов для крупномасштабного мониторинга нейрональной активности.
4. Установление причинности: Изучение связи мозговой активности с поведением через применение высокоточных инвазивных методов, которые изменяют схему нейрональной активности.
5. Формулирование фундаментальных принципов: Создание  базовой теории для  понимания биологических основ психических процессов через разработку новых методологических и информационных инструментов анализа.
6. Создание продвинутых нейротехнологий: Разработка инновационных технологий для изучения работы человеческого мозга и лечения заболеваний; создание и поддержание объединенных сетей изучения человеческого мозга.
7. От теории к практике: Использование новых технологий и концептуальных подходов, созданных на шагах 1 – 6, для изучения механизма перехода паттернов нейронной активности в познание, эмоции, восприятие и действия в норме и при патологии.

Касаясь второй задачи, стоит отметить, что уже составлен наиболее полный атлас коры головного мозга, включивший в себя более 100 новых областей. Он базируется не только на архитектонике, но и на связях между областями головного мозга и генах, которые обеспечивают работу клеток.²

Было выяснено, что различные генные сигнатуры в геноме одних и тех же клеток способны кодировать образование различных связей. Это приводит к тому, что данные нейроны участвуют в разных поведенческих реакциях.  

На данный момент функциональной единицей головного мозга считается именно отдельная клетка с ее активностью, а не какая либо более крупная структура.

Эти задачи сформулированы с учетом текущего развития научной мысли, его основных направлений и достижений. Данная программа в первую очередь нацелена на создание следующего поколения технологий изучения мозга.

Актуальные вопросы

Перспективные мишени для дальнейших клинических разработок 

Изучение возникновения целостных психических образов

Центральной темой современных работ является изучение возникновения целостных психических образов в головном мозге и изменения поведения лабораторных животных за счет активности отдельных нервных клеток.

Для перехода к работам, актуальным на 2019 год, необходимо ознакомиться с исследованиями, послужившими базами для них.

Первое из таких исследований вышло в печать девятнадцатого февраля 2004 года (авторы – Майкл Бречт, Мириам Шнайдер, Берт Сакман и Трой В. Маргри) и описало следующий феномен: внутриклеточная стимуляция отдельных нервных клеток коры головного мозга крысы способна вызывать полноценную ответную реакцию.³

На иллюстрации под литерой «а» указана область мозга крысы, в которой расположен активируемый нейрон, и расположение самой клетки (красным цветом выделен дендрит, а синим – аксон). Буквой «b» обозначена фотография кусочков фольги, прикрепленных к вибриссам подопытного животного; слева – их положение до стимуляции нейрона, справа – изменения (новое положение очерчено черной линией). График «е» показывает величину сдвига вибриссы в градусах при стимуляции выбранного нейрона (верхний график) и контрольного, не связанного с вибриссами (нижний график), что доказывает прямую связь между выбранной клеткой и движениями вибрисс. Графики «с» и «d» описывают технические параметры используемого оборудования.

Второе исследование было опубликовано в январе 2008 года от лица коллектива авторов (Даниэль Хубер, Леопольдо Петреану, Нима Гитани и др.) и показало возможность оптогенетической стимуляции целых участков коры головного мозга. Суть исследования состояла в генетическом изменении строения ряда нейронов коры головного мозга подопытного животного с целью создания ионных каналов, контролируемых родопсином. Это привело к развитию деполяризации нервных клеток при воздействии на них светом, что позволило вызывать реакцию, характерную для восприятия внешнего раздражителя, минуя органы чувств. В ходе эксперимента, данный факт был успешно применен для тренировки подопытных животных с целью создания у них условного рефлекса.⁴

В центре под литерой «а» изображена конструкция оптоволоконного передатчика, «b» – структура эксперимента, «с» – его результаты. Суть опыта состояла в формировании связи между воздействием света и выделением награды из определенного порта. На графике «с» по оси оХ отложено время отдельной сессии, по оси оУ – интенсивность света, переданного по оптоволокну. На координатной плоскости отмечены моменты поступления условного сигнала и моменты отклика животного – как верные, так и ложные. Это позволяет судить о скорости реакции и проценте верных выборов в зависимости от интенсивности излучения.

Сокращение интенсивности светового излучения связано со стремлением исследователей добиться возникновения единичного потенциала действия и установить минимальный уровень раздражения нервных клеток, необходимый для формирования значимого стимула. Дальнейшие опыты показали, что возникновение даже единичного потенциала действия в одном нейроне достаточно для изменения поведения подопытного животного.

В правой части иллюстрации изображена реконструкция среза мозга с указанием группы клеток, подвергнутых воздействию света. График в нижней части показывает уровень успешности принятия животным верного решения в зависимости от количества задействованных нейронов. 

Двадцать пятого июля 2019 года в журнале Science была опубликована статья за авторством коллектива ученых (Джеймс Маршал, Юн Сек Ким, Тимоти Мачадо и др.) в которой содержатся следующий вывод: активации всего 20 нейронов достаточно, чтобы вызвать у животного зрительные образы, несуществующие во внешнем мире.⁵ Предпосылками работы были названы три проблемы:

1. Отсутствие ответа на вопрос, почему не все паттерны активности сохраняются в виде субъективного опыта;
2. Неясность механизма формирования восприятия и поведения посредством активности групп клеток;
3. Выделение уже сформированных в  мозге животного когов и стимуляция их.

Суть эксперимента заключалась в наблюдении через двухфотонный микроскоп за изменениями структуры коры головного мозга в процессе обучения. 

После обучения животных, микроскопом с помощью излучения в красной области спектра (выбрана благодаря высокой проникающей способности) устанавливались клетки, ответственные за запоминание информации. Была сформирована трехмерная голограмма, представлявшая собой «карту» с отмеченными на ней задействованными нейронами.

Данные клетки были генномодифицированны для повышения чувствительности к излучению именно в этом диапазоне. Стоит заметить, что разработка данных методов стимуляции также является инновационной и осуществляется в рамках этой программы.

В итоге это позволило обучить животное различать изображения, установить использованные для запоминания нейроны и выборочно их стимулировать. Это привело к проявлению животным поведения, характерного для выработанного условного рефлекса, без получения визуального сигнала. К концу исследования было установлено, что для реализации выученного поведения достаточно активировать всего 20 нейронов.

Дальнейшие исследования, проведенные по схожей методике коллективом авторов под руководством Рафаэля Юста, позволили сократить это количество до двух и установить существование клеток – «завершителей паттерна». Это нейроны, возникающие в ходе обучения и входящие в сформированный ког, которые обладают способностью вызывать активацию всей группы клеток. Они составляют условную сердцевину и проявляют активность при каждой стимуляции кога, в который они входят. 

С практической точки зрения данные работы нашли свое применение в проекте Илона Маска «Neuralink», направленном на разработку и производство имплантируемых нейрокомпьютерных интерфейсов.

Перспективы

За 2019 год опубликовано порядка 300 тысяч научных статей об исследованиях, касающихся изучения головного мозга. Анализ тематики этих публикаций, позволяет заявить, что наиболее существенными проблемами в области современной нейронауки являются:

• Механизм превращения нейронной активности в мысль;
• Создание единой теории протекания мыслительного процесса;
• Разработка алгоритмов извлечения информации из большого объема данных;
• Объяснение происхождения и базовой природы сознания всех живых существ (подобная формулировка связана с наличием субъективного восприятия у любого животного, обладающего мозгом);
• Изучение механизмов обучения и формирования памяти.

К конечным целям практических разработок можно отнести:

• Установление связи между внешними раздражителями и активностью клеток головного мозга с помощью систем искусственного интеллекта;
• Реанимация головного мозга после биологической смерти;
• Установление наличия памяти у отдельных клеток нервной ткани;
• Создание искусственного сознания – компьютерной системы, обладающей субъективным опытом;
• Изучение вычислительных свойств нейронов коры головного мозга человека.

Заключение

• Существенно уменьшилось количество экспериментов на людях за счет развития технологий визуализации, для которых возможно применение лабораторных животных: нематод, дрозофил и мышей.
• Технологии переднего рубежа современной нейронауки практически недостижимы большинством лабораторий, кроме небольшого количества наиболее передовых.
• Перспективными направлениями исследований считаются: нейрофармакология, создание искусственных нейронных сетей, изучение механизмов памяти и восприятия событий, времени и пространства человеком, понимание природы сознания.

Современной нейрологии необходима синтетическая теория, которая обобщит весь массив имеющихся экспериментальных данных.

 ⚠️ За основу статьи взяты лекции д.м.н., Академика РАН Анохина К. В.

1. Largest neuronal network simulation achieved using K computer.  Пресс-релиз. Riken [Электронный ресурс].
2. Brain Map [Электронный ресурс]
3. Brecht, M., Schneider, M., Sakmann, B. et al. Whisker movements evoked by stimulation of single pyramidal cells in rat motor cortex. Nature 427, 704–710 (2004). DOI: /10.1038/nature02266
4. Huber, D., Petreanu, L., Ghitani, N. et al. Sparse optical microstimulation in barrel cortex drives learned behaviour in freely moving mice. Nature 451, 61–64 (2008). DOI: 10.1038/nature06445
5. James H. Marshel, Yoon Seok Kim, Timothy A. Machado, Sean Quirin, Brandon Benson, Jonathan Kadmon, Cephra Raja, Adelaida Chibukhchyan, Charu Ramakrishnan, Masatoshi Inoue, Janelle C. Shane, Douglas J. McKnight, Susumu Yoshizawa, Hideaki E. Kato,  Surya Ganguli, Karl Deisseroth. Cortical layer–specific critical dynamics triggering perception. 09 Aug 2019. DOI: 10.1126/science.aaw5202