Кубический миллиметр мозга

Перед вами фрагмент подробнейшей трехмерной модели коры человеческого мозга. В образце длиной 3 мм видны отдельные возбуждающие нейроны (их толщина в поперечнике составляет от 15 до 30 мкм) и связи между ними. Эту крупнейшую на сегодняшний день 3D-реконструкцию кубического миллиметра человеческого мозга, проходящую через все основные шесть слоев, создали ученые из Гарвардского университета совместно с командой из Google.

Фрагмент коры был взят во время операции у 45-летней пациентки с лекарственно-устойчивой эпилепсией. Ей удалили участок медиальной височной доли, содержащей эпилептический очаг, а также фрагмент непораженной левой передней височной доли. Этот непораженный фрагмент размером 2,5 на 0,8 см с помощью высокоточного микротома разрезали на образцы толщиной 300 микрометров. Каждый образец окрасили и поместили в специальный раствор. И уже из одного такого образца был взят фрагмент объемом 1 мм³. Из него получили примерно 5300 срезов толщиной около 30 нм каждый.

Удаленный у пациентки с эпилепсией небольшой фрагмент височной коры. Фото из дополнительных материалов к статье A. Shapson-Coe et al., 2024. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution

Это в тысячу раз тоньше срезов, сделанных основоположником анатомического картирования мозга Корбинианом Бродманом, создавшим на их основе в 1909 году самую известную карту мозга (см. картинку дня Мультимодальная карта мозга). Срезы визуализировали с помощью электронного микроскопа с разрешением до 4 нм. Процесс занял целых 326 дней! В результате было создано 225 миллионов двумерных изображений, которые затем были объединены в трехмерное. С помощью машинного обучения были идентифицированы различные клетки и структуры. И обнаружили необычные нейроны и редкие мультисинаптические связи между нейронами. Но поскольку образец коры принадлежал человеку с эпилепсией, непонятно, связаны ли эти находки с болезнью. Суммарно на детальную реконструкцию крошечного участка мозга ученые потратили около четырех лет.

Визуализированные гистологические особенности коры мозга: A — нейропиль (скопление отростков нейронов) и его сегментация (B) с нанометровым разрешением; C — синапсы; D — возбуждающие нейроны; Е — тормозные нейроны; F — астроциты; G — олигодендроциты; H — миелин; I — кровеносные сосуды. Изображение из статьи A. Shapson-Coe et al., 2024. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution

В полученном образце количество глиальных клеток в два раза превышало число нейронов (32 315 против 16 087), однако это соотношение зависело и от слоя. Наиболее распространенным типом клеток были глиальные клетки-олигодендроциты (20 139). Среди нейронов наиболее распространены (69% или 10 531 всего) были клетки, которые имеют шипики — мембранные выросты на поверхности дендрита, способные образовать синапс. Бесшипиковые нейроны в основном были представлены вставочными нейронами, или интернейронами (31%). Кроме того, ученые выделили 868 необычных нейронов, которые они не смогли отнести ни к одной категории. Например, нейроны пирамидальной формы, практически лишенные шипиков (хотя обычно пирамидальные нейроны содержат множество дендритных шипиков), и наоборот — напоминающие бесшипиковые интернейроны клетки с образованиями, похожими на шипики.

Примеры необычных нейронов. A — нейрон из слоя V четкой пирамидальной формы, почти лишенный шипиков. Детально рассмотреть нейрон можно здесь. B — нейрон из слоя II, напоминающий вставочный нейрон, но имеющий множество похожих на шипики образований на дендритах. Детально рассмотреть нейрон и его шипики можно здесь. Изображение из дополнительных материалов к статье A. Shapson-Coe et al., 2024. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution

В самом глубоком слое коры головного мозга (слое VI) представлено большое разнообразие типов клеток, особенно у приматов. Этот слой до сих пор плохо изучен, и именно в нем ученые обнаружили другие необычные нейроны. Речь идет о треугольных клетках (triangular, или compass, cells), которые известны уже столетие, но при этом о них практически ничего не известно. Они похожи на пирамидальные нейроны, ключевыми структурными особенностями которых являются одиночный аксон, большой апикальный дендрит (см. Apical dendrite), множественные базальные дендриты (см. Basal dendrite) и наличие дендритных шипиков. Однако, в отличие от пирамидальных нейронов, треугольные клетки вместо множественных базальных дендритов имеют один большой. Суммарно в слоях V и VI было идентифицировано 864 таких необычных нейрона. Интересно, что направление этих базальных дендритов было весьма ограниченным: у большей части таких нейронов они почти зеркально отражали друг друга.

Пример двух треугольных нейронов с базальными дендритами, направленными в противоположные стороны. Изображение из препринта статьи A. Shapson-Coe et al., 2021. A connectomic study of a petascale fragment of human cerebral cortex

Причем в этих двух зеркальных группах оказалось почти равное количество клеток. Неясно, какую роль эти особенности играют в мозге. Различная ориентация этих двух групп нейронов позволяет предположить, что они также и функционально различны.

Ученые идентифицировали не только отдельные клетки, но даже синапсы. Всего было обнаружено около 40 миллионов тормозных синапсов и примерно 110 миллионов возбуждающих.

Один нейрон (белый) и все аксоны других нейронов, которые к нему подключаются: зеленым показаны возбуждающие аксоны, синим — тормозные. Изображение с сайта sciencealert.com

Обычно каждый аксон пресинаптического нейрона устанавливал с постсинаптическим нейроном по одному синапсу. Два синапса встречались редко, однако у всех нейронов было хотя бы несколько таких контактов. Три синапса обнаружены еще реже, и лишь в 0,001% случаев наблюдались четырехсинаптические связи. Но были и еще более удивительные исключения. Например, был идентифицирован возбуждающий нейрон с девятью синапсами на дендрите тормозной клетки.

Возбуждающая клетка (E) образует множественные синапсы на дендрите тормозной клетки (I). Отдельные синапсы пронумерованы и показаны стрелками. Изображение из препринта статьи A. Shapson-Coe et al., 2021. A connectomic study of a petascale fragment of human cerebral cortex

Нечто похожее уже наблюдали при реконструкции мозга мыши: немногочисленные аксоны образовывали до пяти синапсов на одном и том же дендрите. Зачем некоторым клеткам в человеческом мозге такие мощные связи, доходящие до 50 контактов, еще предстоит выяснить. Авторы находки считают, что это может быть связано с возможной необходимостью усиливать нервный импульс, не привлекая другие клетки, а причиной возникновения такого количества контактов может быть обучение. Если это предположение верно, то такое явление будет еще менее распространено в мозге более молодого человека.

Полученная карта содержит более 57 000 клеток, миллионы фрагментов нейронов, более 150 миллионов синапсов и занимает 1,4 петабайта, хотя исследованный учеными образец составляет всего одну миллионную часть объема всего человеческого мозга. Карта опубликована в открытом доступе, поэтому каждый может совершить путешествие вглубь этого крошечного участка височной коры.

Изображение © Google Research & Lichtman Lab (Harvard University) с сайта research.google.

Екатерина Ларионова