Головной мозг человека и атлас головного мозга. В китае создают трехмерный атлас мозга человека

Мозг 65-летней женщины был разрезан на 7400 кусочков, чтобы создать самый подробный в мире трехмерный атлас человеческого мозга и продвинуть исследователей на шаг ближе к обратному проектированию его витиеватых схем.

«Атласы» мозга являются ключевыми инструментами исследователей и врачей для определения того, какие зоны «загораются» в ходе мыслительного процесса, выполнения человеком определенного задания или хирургии под визуализационным контролем. Чем выше разрешение такого атласа, тем лучше врачи могут работать с самыми маленькими частями мозга и их индивидуальными функциями.

Создатели атласа - специалисты из Канады и Германии - предоставили модель ультравысокого разрешения, в 50 раз более подробной, чем обыкновенный скан - в бесплатном интернет-формате. Они также опубликовали результаты своей работы в четверговом номере журнала Science (Наука).

Атлас, получивший название BigBrain (Большой мозг), создает общую платформу для открытой всемирной научной дискуссии о мозге, говорит один из его создателей Карл Зиллес (Karl Zilles) из университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе.

Зиллес рассказал о новом способе лечения болезни Паркинсона — глубокой стимуляции головного мозга, когда через электроды, имплантированные в определенные точки мозга, отправляются электрические импульсы. Он отметил, что BigBrain, возможно, откроет двери к более точной локализации мест имплантации электродов и сделает этот метод более эффективным.

После того, как тысячи похожих на целлофан кусочков были окрашены и оцифрованы, карта с разрешением практически на уровне клеток продемонстрировала целую систему уровней, волокон и микросхем мозга женщины.

Хоть мозг человека и отличается в зависимости от возраста и личностных особенностей, в целом у него одинаковая анатомия и система распределения структур, говорит один из создателей атласа Алан Эйванс (Alan Evans) из Института нейрохирургии Университета Макгилла в Монреале. Существуют «незначительные различия в форме» среди разных людей, однако все атласы начинаются с одного мозга-«модели» и затем уже развиваются далее.

Больше всего группа ученых была ограничена в возможностях и мощности обработки данных. Чтобы составить карту человеческого мозга с пространственным разрешением в один микрометр - что было ранее сделано с мозгом мыши - потребовалась бы 21 тысяча терабайт данных, а это фактически сделало бы навигацию в проекте невозможной. По сравнению с этим BigBrain с его разрешением в 20 микрометров состоит примерно из одного терабайта информации. Предыдущие основанные на магнитно-резонансной томографии атласы имели разрешение в 1 миллиметр.

Ричард Ли (Richard Leigh), невролог из университета Джона Хопкинса, говорит, что надеется на «тест-драйв» проекта BigBrain в своем исследовании, посвященном восстановлению после инсульта. С возможностью отслеживания микроскопических деталей Ли сможет увидеть, какие группы нейронов прорастают в ходе процесса восстановления после инсульта. Раньше ему было доступно лишь размытое изображение.

В среду Эйванс находился в Сиэтле, работая вместе с Институом Аллена по исследованиям мозга. Созданный одним из основателей Microsoft Полом Алленом (Paul Allen), который передал учреждению 500 миллионов долларов с момента его образования в 2003году, институт также создал свой - хотя менее подробный - атлас мозга.

BigBrain - это часть Проекта ЕС по человеческому мозгу, в рамках которого специалисты в сфере неврологии, медицины и компютерных наук собираются вместе, чтобы разгадать тайны мозга.

Президент Барак Обама в апреле заявил об инициативе создания карты человеческого мозга, описав ее как путь к лечению неврологических заболеваний и укреплению экономики.

Оригинал публикации: Scientists create high-resolution 3-D atlas of human brain

Трехмерный атлас человеческого мозга создан с беспрецедентной точностью, это результат 10-летней работы международной группы нейробиологов.

Точнейший атлас головного мозга человека, названный Big Brain, представляет сведения о мозге одного определенного человека. Это была 65-летняя женщина, при жизни не страдавшая ни психическими, ни неврологическими заболеваниями. Ученые парафинировали ее мозг, а затем нарезали получившийся твердый препарат тонкими слоями с помощью микротома и визуализировали получившиеся срезы с точностью в 20 микрометров, в 50 раз превышающей одномиллиметровое разрешение обычных изображений сканирования головного мозга. Авторы работы считают, что атлас Big Brain показывает организацию нейронов с такой точностью, что можно пересмотреть результаты прежних анатомических исследований. «Качество прошлых карт можно сравнить с картами Земли, которые создавались в XVII веке и выдавались за лучшие образцы картографии», комментирует достижение эксперт Nature News нейробиолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (Washington University in St.Louis) Дэвид Ван Эссен (David van Essen). «Пространственное разрешение МРТ в 1мм не позволяло разглядеть микроструктуры мозга», - пояснила изданию The Scientist Катрин Амунтс (Katrin Amunts) из Исследовательского союза Аахен-Юлих (Julich Aachen Researce Alliance) в Германии. Созданный под ее руководством атлас Big Brain описан в Science (20 June, 2013).

В атласе собраны 7400 срезов головного мозга, каждый из которых тоньше человеческого волоса. Визуализация сечений с помощью микроскопа заняла в сумме 1000 часов и сгенерировала 10 триллионов байт информации. Суперкомпьютеры в Канаде и в Германии обрабатывали ее год за годом, преобразовывая полученные изображения в трехмерную форму и корректируя дефекты поверхности каждого слоя, шероховатости, которые могли возникнуть в ходе приготовления срезов. Весь атлас в скором времени появится в открытом доступе в интернете, сообщает Nature News. Big Brain – это часть проекта «Головной мозг человека» (Human Brain Project), 10-летней европейской инициативы по созданию суперкомпьютерной модели человеческого мозга, которая обойдется в 1 миллиард евро. Хотя атлас представляет данные только об одном персональном мозге, это важная отправная точка для будущей интерпретации данных по мозгу других людей, считает ван Эссен, сравнивая проект Big Brain с секвенированием первого генома человека. Полученный атлас будет служить ориентиром, справочной базой, с которой будут сверяться поступающие данные. Для начала авторы этой работы планируют сопоставить сведения из нового атласа с информацией, полученной на сегодняшний день Институтом мозга Пола Аллена (Paul Allen Institute for Brain Science) в Сиэтле, который занимается сходными исследованиями. Американские ученые получают структурные данные с несколько меньшим разрешением, чем в проекте Big Brain, однако атлас Института Аллена содержит подробные аннотации и карты экспрессии генов в головном мозге. Новости мировой науки вы найдете также на странице нашей программы в газете научного сообщества «Поиск».

Головной мозг — невероятно сложная и многоуровневая структура. Недавно учёные создали трёхмерную карту важнейшего органа человеческого тела, которую назвали BigBrain .

Атлас содержит мельчайшие детали мозга, которые запечатлены в самом высоком разрешении. Исследователи утверждают, что их работа поможет подробно разобраться в том, как функционируют и взаимодействуют различные отделы нашего мозга. Более того, карте найдётся и практическое применение в нейрохирургии: медикам необходимо знать все подробности, прежде чем вживлять в мозг электроды и другие устройства.

Составление карты человеческого мозга — давняя цель нейробиологии. Ранее учёные уже предпринимали шаги в этом направлении, создавая , а также электронный , но такой высокой чёткостью, как последняя карта, предыдущие исследования не отличались.

Трудность в моделировании мозга состоит прежде всего в том, что он является одновременно хрупкой и очень сложной структурой. Другим препятствием также являлись гофры и складки, покрывающие поверхность мозга. Нарезка его на слои подразумевает создание двухмерных объектов, и потому не всегда понятно, как функционируют клетки в складках трёхмерно объекта.

Проект по созданию атласа BigBrain Катрин Амунтс (Katrin Amunts) из Исследовательского центра Юлиха (Jülich Research Centre) и её коллеги из Германии и Канады запустили ещё в 2003 году.

Для этого они выбрали мозг 65-летней женщины, не проявлявшей при жизни никаких признаков психических заболеваний. Были исключены и другие факторы, которые могли повлиять на анатомию мозга. На протяжении нескольких месяцев орган "мариновали" в растворе формалина, а затем поместили в жидкий парафин.

После этого мозг нарезали при помощи микротома на более чем 7400 слоёв, ширина каждого из которых не превышала 20 микрометров (пятая часть ширины человеческого волоса). Отметим, что, как правило, мозг для исследований нарезается на гораздо более толстые слои, ширина которых составляет один миллиметр. Затем учёные сделали цифровые снимки слоёв с разрешением в 13 тысяч на 11 тысяч пикселей.

Следующими этапами было изучение каждого слоя с помощью микроскопа и воссоздание трёхмерной структуры мозга из полученных изображений. Этот процесс занял у исследователей более 1000 часов работы на сверхмощном компьютере. Даже если какой-то слой был срезан под углом, компьютерная программа вычисляла изначальную трёхмерную форму правильно, ориентируясь на высокое разрешение снимков.

Как сообщается в пресс-релизе , качество полученной 3D-модели в 50 раз превышало качество предыдущих аналогов, созданных при помощи магнитно-резонансной томографии. Такая карта позволит исследовать функции мозга на клеточном уровне, хотя на ней и не видны абсолютно все межклеточные соединения и нейронные связи.

Так или иначе, проект BigBrain станет крайне полезным для фундаментальной науки и медицины. "К примеру, карту можно использовать при проведении магнитно-резонансной томографии пациенту, который перенёс серьёзную черепно-мозговую травму. Атлас поможет определить, какие именно участки пострадали и требуют лечения", — предлагает Дамьен Галано (Damien Galanaud), нейробиолог из больницы Питье-Сальпетриер в Париже, который не принимал участия в исследовании. Галано занимается изучение последствий черепно-мозговых травм.

Впрочем, карта проекта BigBrain, конечно же, не универсальна, есть у неё и недостатки. "Помимо того, что ещё на этапе нарезания мозга на слои могли быть допущены ошибки, необходимо учитывать, что структура головного мозга у каждого человека индивидуальна и эти погрешности необходимо принимать во внимание. Я считаю, что необходимо объединить данные этого проекта с результатами предыдущих, менее качественных изысканий для создания более универсальной карты человеческого мозга", — говорит нейробиолог Джон Мацциотта (John Mazziotta) из Калифорнийского университета, который не принимал участия в проекте BigBrain.

Хорошо дополнить данные, полученные Амунтс и её командой, может другой . В ходе исследований, проведенных в апреле 2013 года, учёные удалили все липидные оболочки органа и получили полностью прозрачный мозг, изучение которого в дальнейшем стало намного проще.

Добавим, что команда Амунтс понимает важность индивидуальных особенностей структуры мозга и потому нацелена на проведение дальнейшего изучения этого органа. Учёные планируют создать аналогичную модель мозга мужчины и более молодой женщины, чтобы выявить половые и возрастные отличия.

Уоррен Селмен (Warren Selman), председатель факультета нейрохирургии Университетского госпиталя в Кливленде, считает, что ещё одним недостатком атласа BigBrain является тот факт, что он составлен на основе мозга умершего человека. В данном случае невозможно проследить за самым интересным процессом — функционированием и взаимодействиями нейронов. Селмен отмечает, что BigBrain является отличной базой данных, но требует дополнений, чтобы получить полноценные представления о важнейшем органе человеческого тела.

Статью, описывающую работу над проектом и полученные результаты , можно прочитать в журнале Science.

В эксперименте приняло участие семь добровольцев, говорящих на английском языке (включая самого Гута). Каждый из них пролежал два часа в томографе… слушая радио. Да-да, самые обычные радиопередачи The Most Radio Hour, где разные люди рассказывают о своей жизни. В два часа укладывалось примерно полтора десятка таких историй.

15 рассказов, 25 000 слов. Из них 3000 уникальных – неплохой словарный запас для начала. Томограф, в котором испытуемые проводили по 120 минут, был весьма мощным, а программное обеспечение – настолько качественным, что удалось вычленить реакцию мозга на каждое отдельное произнесенное слово. «Вишенкой на торте» стало «контрольное измерение» реакции на набор из 985 самых распространенных слов в английском языке.

Оказалось, что мозг реагирует именно на значение слова, а не на его звучание , когда слышит связную речь. То есть на слова с похожими значениями реагируют одинаковые зоны коры головного мозга. Но нет одного конкретного места, где бы обрабатывалась речь. Более того, на слова, имеющие несколько разных значений, реагируют несколько разных зон мозга.

Результат работы представлен в виде карты мозга, на которую нанесены слова. Все эти слова сгруппированы в семантические категории: визуальное, тактильное, цифровое, пространственное, абстрактное, временное, профессиональное, насильственное, общее, ментальное, эмоциональное и социальное.

Что интересно, семантические поля головного мозга располагались примерно там же, где и функциональные. Ну, например, слова из «визуальной» группы – «красный», «круглый» и тому подобное, расположились примерно там, где мозг обрабатывает визуальные изображения.

Еще один важный результат: конечно, у каждого из нас есть различия. Однако, несмотря на них, общая схема «атласа слов головного мозга» у всех испытуемых оказалась более-менее схожей.

Зачем это нужно?

Конечно, читать мысли таким образом мы не сможем (как и в результате январского исследования, когда ученые научились различать по электроэнцефалограмме, на что смотрит человек – на дом или на лицо). Но эта работа открывает возможности коммуникации с людьми, которые уже совсем не могут говорить. Это пациенты с боковым амиотрофическим склерозом, с «синдромом запертого тела» и так далее. Более того, эта работа открывает новые перспективы для изучения языка – его устройства и происхождения.

Как это было сделано

Но как мы узнаём, какая область мозга «работает» в какой момент? Сказать «томограф видит» – означает не сказать ничего. Тем более что каждый из нас, ложась в МРТ, получает на выходе набор срезов мозга или другого участка тела без какой-либо активности. Что же для этого надо?

Для этого нужна еще одна маленькая буква «ф» перед аббревиатурой МРТ, превращающая метод в функциональную магнитно-резонансную томографию. Если быть точным, нам нужна BOLD-функциональная магнитно-резонансная томография (BOLD – blood oxygenation level dependent contrast, или контрастность, зависящая от степени насыщения крови кислородом).

Все мы знаем, что для того, чтобы улучшить картинку МРТ, иногда применяют контрастные препараты. Обычно это сложные органические вещества с включением парамагнитного атома гадолиния, который прекрасно «светится» на МРТ. Но, оказывается, таким контрастом может служить… кровь!

Дело в том, что чем активнее работает та или иная область мозга, тем больше приток крови к ней и тем больше требуется оксигенированной (насыщенной кислородом) крови. Где оксигенированной крови больше – там сигнал сильнее, где меньше – там он слабее. В итоге, настроив определенным образом томограф и его программы, можно видеть на МРТ активность головного мозга.

Британские ученые и зона любви

Когда МРТ попало в руки нейроученых и людей, занимающихся когнитивными науками, наступил расцвет «новой френологии». Подобно тому, как в XVIII-XIX веках делали выводы о характере по строению черепа человека, последние 10-15 лет научную печать захлестнула область работ типа «Британские ученые нашли зону мозга, отвечающую за любовь!»

Хотя на самом деле, конечно, нужно помнить, что такой заголовок в прессе означает только то, что ученые зафиксировали, какие области мозга активизируются, когда влюбленный испытуемый смотрит на портрет любимой или любимого. Не меньше, но и не больше.

Алексей Паевский, главный редактор портала «Нейротехнологии.РФ», специально для “Православие и мир”

Головной мозг, encephalon, является высшим органом нервной системы, регулирующим взаимоотношения организма и среды, а также управляющим функциями организма.

С анатомо-функциональных позиций выделяют несколько уровней:

I уровень - высший, осуществляющий высшее управление чувствительной и двигательной сферами, процессами логического мышления, памяти, воображения (кора головного мозга);

II уровень - управление непроизвольными движениями и регуляция мышечного тонуса (базальные ядра полушарий большого мозга);

III уровень - центр эмоционального контроля и эндокринной регуляции - представлен лимбической системой (гиппокамп, гипофиз, гипоталамус, поясная извилина, миндалевидное ядро);

IV уровень - низший, управляющий вегетативными функциями организма и передающий сигналы в различные центры (ретикулярная формация и некоторые другие центры ствола мозга).

Большой мозг, cerebrum;
вид сверху.

Головной мозг залегает в полости черепа. Форма внутренней поверхности черепа повторяет форму и рельеф головного мозга.

У взрослого человека головной мозг (без твердой мозговой оболочки) имеет массу в среднем 1375 г , сагиттальный размер составляет 16 - 17 см, поперечный - 13-14 см, вертикальный - 10,5-12,5 см; средний объем - 1200 м3.

Прямая связь массы мозга и одаренности человека не подтверждается.

Головной мозг подразделяют на ствол головного мозга, мозжечок и большой мозг.

Большой мозг покрывает мозжечок и ствол мозга, так что обе эти части головного мозга видны лишь со стороны его нижней поверхности, окруженные лобными и височными долями большого мозга.

На нижних поверхностях лобных долей расположены обонятельные луковицы и обонятельные тракты , задние концы которых переходят в обонятельные треугольники . Эти образования входят в состав обонятельного мозга, составляющего часть большого мозга.

Позади обонятельных треугольников находится зрительный перекрест , продолжающийся кзади и латерально в зрительные тракты . Сзади к зрительному перекресту прилежит серый бугор , позади которого лежат сосцевидные тела . Эти образования относятся к промежуточному мозгу.
Латеральнее и кзади от сосцевидных тел видны ножки мозга (части среднего мозга ). Далее кзади виден мост , глубокой бороздой отделенный от продолговатого мозга. По бокам от моста и продолговатого мозга выступают полушария мозжечка .

Мост и мозжечок составляют задний мозг . Последний вместе с продолговатым мозгом представляют ромбовидный мозг . Продолговатый мозг, мост, средний и промежуточный мозг вместе образуют ствол мозга .

На нижней поверхности головного мозга видны места выхода 12 пар черепных нервов .
I пара - обонятельные нервы; проходят через продырявленную пластинку решетчатой кости и вступают в обонятельную луковицу.
II пара - зрительные нервы; выходят из зрительных каналов и образуют зрительный перекрест.
III пара - глазодвигательные нервы; выходят из медиальной поверхности ножек мозга.

IV пара - блоковые нервы; огибают латеральную поверхность ножек мозга.
V пара - тройничные нервы, выходят из боковых участков моста.
VI пара - отводящие нервы,

VII пара - лицевые нервы,

VIII пара - преддверно-улитковые нервы; все выходят из заднего края моста (VI пара - ближе к срединной линии).
IX пара - языкоглоточные нервы,

X пара - блуждающие нервы,

XI пара - добавочные нервы; все выходят из продолговатого мозга, ближе к его задней поверхности.
XII пара - подъязычные нервы; принадлежат продолговатому мозгу, но их корешки выходят ближе к его передней поверхности.

Выпуклая поверхность головного мозга полностью образована полушариями большого мозга.

На сагиттальном разрезе головного мозга видны все его отделы и их крупные части. Значительную часть разреза занимает медиальная поверхность полушарий большого мозга, ограниченная снизу мозолистым телом . Еще ниже виден свод мозга. Под затылочной долей полушарий большого мозга находится мозжечок .

Остальные образования, видные на разрезе, принадлежат стволу мозга : таламус и гипоталамус (промежуточный мозг), крыша среднего мозга и ножки мозга (средний мозг), мост и продолговатый мозг.

Гловной мозг, encephalon ; вид снизу.