Трехмерные карты раскрывают скрытые микросреды, формирующие связи в головном мозге

Последние технологические и научные достижения открыли новые возможности для нейробиологических исследований, что, в свою очередь, приводит к интересным новым открытиям. В последние несколько лет многие группы нейробиологов по всему миру пытаются с возрастающей точностью составить карту структуры мозга и его подлежащих областей, а также исследовать их участие в конкретных психических функциях.

Поскольку детальное картирование человеческого мозга часто представляет собой сложную задачу и требует значительных ресурсов, многие исследования сосредоточены на других млекопитающих, в частности на мышах или других грызунах. Большинство созданных на сегодняшний день атласов мозга мышей отображают плотность нейронов или других клеток мозга (т.е., сколько клеток сосредоточено в определенных частях мозга). В отличие от этого, работ, посвященных картированию формы нейронов в мозге мыши и взаимодействий между ними, гораздо меньше.

Недавно исследователи из Фуданьского университета и Юго-восточного университета приступили к картированию дендритов (то есть ветвеобразных отростков нейронов, через которые они получают сигналы от других клеток) в мозге мыши. В своей статье, опубликованной в журнале Nature Neuroscience, они раскрывают группы структур в мозге мыши, которые влияют на функционирование нейронов и их связь с другими нейронами, также известные как микросреды.

«Мы разработали метод, позволяющий регистрировать детальные паттерны разветвления нейритов нейронов, а не полагаться исключительно на плотность клеточных тел для разграничения областей и подобластей мозга», — рассказал Medical Xpress Ханьчуань Пэн, старший автор статьи. «Для этого потребовалось создать дендритные реконструкции для десятков тысяч нейронов по всему мозгу и организовать эти разветвления в согласованные группы. Примечательно, что мы также наблюдали сильное соответствие между локально однородными паттернами дендритного разветвления и дистальными проекционными мишенями нейронов».

Всё более совершенные методы изучения мозга мышей

В рамках своего исследования Пэн и его коллеги проанализировали данные визуализации, полученные от 111 мышей, которые показали наличие более 100 000 нейронов и их окружения. Команда проанализировала эти данные с помощью вычислительных инструментов, которые они представили в одной из своих предыдущих работ, что позволило им реконструировать структуру нейронов и дендритные структуры в мозге животных.

«Мы запустили программу mBrainAligner, опубликованную в журнале Nature Methods, для пространственной регистрации (выравнивания) всех индивидуально реконструированных нейронов из разных мозгов в одном и том же координатном пространстве », — объяснил Пэн. «Затем мы смогли выполнить кластеризацию для этих стандартизированных нейронных ветвей и таким образом идентифицировать подрегионы мозга и создать новый атлас мозга мыши».

Методы, использованные исследователями, позволили им преобразовать необработанные изображения микроскопических структур в подробные трехмерные (3D) карты мозга мыши. Эти карты показывали как форму отдельных нейронов, так и отходящие от них дендриты.

Позже Пэн и его коллеги сравнили наблюдаемые ими закономерности с теми, которые обнаружены в наиболее известном атласе мозга мыши, известном как Allen Common Coordinate Framework (CCF). Они обнаружили, что эти закономерности совпадают, и их атлас предоставляет дополнительную информацию о локальной организации нейронов и о том, как она способствует функционированию крупномасштабных нейронных сетей головного мозга.

Проливая новый свет на развитие мозга

Это недавнее исследование предоставляет более подробную карту дендритной микросреды в мозге мыши, предполагая, что она может влиять на более широкую связность мозга (т. е. связи между нейронами в разных областях мозга). Кроме того, оно подчеркивает потенциал вычислительных инструментов для реконструкции нейронов с целью создания все более подробных карт мозга.

«В этой работе содержится несколько важных результатов, — сказал Пэн. — Во-первых, мы представили способ анатомической идентификации новых субрегионов мозга на основе трехмерной формы нейронов, но без использования традиционно применяемой плотности клеточных тел. Во-вторых, мы нашли способ связать однородные локальные дендритные структуры с соответствующими целевыми участками нейронов. Это может стать очень эффективной новой парадигмой для обратного проектирования мозга».

В сочетании с существующими картами мозга мышей, созданный исследователями атлас может помочь пролить новый свет на то, как микроскопические особенности и структуры поддерживают конкретные психические функции, способности и поведение. Пэн и его коллеги в настоящее время работают над дополнительными вычислительными методами и инструментами реконструкции, которые могли бы еще больше продвинуть нейробиологические исследования.