Исследование, опубликованное в журнале Science, углубляется в 170-миллиметровую пластину коры головного мозга человека, чтобы изучить ее микроархитектуру в высоком разрешении. С какой целью? Выяснить, как функционирует наш мозг на клеточном и субклеточном уровне.
Ученые использовали объемную электронную микроскопию (ЭМ), которая позволила реконструировать каждый клеточный компонент и синапс. Этот метод использует короткую длину волны электронов для создания изображений с нанометровым разрешением.
В этом исследовании был изучен образец коры головного мозга из средней височной извилины 45-летней женщины. Этот образец, общим объемом чуть более одного мм^3, был извлечен во время операции для доступа к основному эпилептическому очагу в гиппокампе.
Огромное количество данных, собранных из этой выборки, ошеломляет, составляя более 1,4 петабайта данных цифровых изображений, что эквивалентно триллионам вокселей. Этот обширный набор данных позволил визуализировать ткани мозга на нескольких уровнях — супрацеллюлярном, клеточном и субклеточном, — что дало представление о взаимоотношениях между различными клеточными элементами, такими как нейроны, синапсы, глия и кровеносные сосуды.
Они собрали подробную информацию о своем кубическом миллиметровом образце с помощью машинного обучения, технологий быстрой визуализации, автономных программ и общедоступных платформ корректуры.
Исследователи использовали инструменты машинного обучения для обучения автоматических классификаторов синапсов. Эти классификаторы идентифицировали компоненты каждого синапса и различали возбуждающие и тормозные пресинаптические окончания.
В результате их анализа было сделано несколько интересных выводов:
- Глиальные клетки превосходят по численности нейроны в соотношении 2:1.
- Олигодендроциты были идентифицированы как наиболее распространенный тип клеток.
- Возбуждающие нейроны глубокого слоя могут быть классифицированы на основе дендритной ориентации.
- Наблюдались редкие мощные аксональные входы, состоящие из 50 синаптических соединений от одного аксона к определенному нейрону.
Интересно, что в то время как сильные связи были редки в целом (0,092% соединений), значительная часть нейронов продемонстрировала наличие мощных аксональных входов, предполагая, что это может быть общей характеристикой нейрональной иннервации в коре головного мозга человека.
Плотность нейронов, наблюдаемая в этом исследовании (~16 000/мм^3), была заметно ниже, чем предполагалось ранее, что подчеркивает различия с другими исследованиями и необходимость точных методов визуализации с высоким разрешением.
Несмотря на ограниченность выборки, взятой у человека с эпилепсией, это исследование представляет собой ценный ресурс для изучения синаптических отношений в коре головного мозга человека. Выводы, полученные в ходе этого исследования, прокладывают путь для дальнейших исследований сложностей человеческого мозга, потенциально раскрывая фундаментальные тайны нейробиологии.
В дополнение к своим выводам, исследователи внесли значительный вклад, разработав программные инструменты, которые могут помочь в дальнейших исследованиях, способствуя продолжению исследований сложной работы человеческого мозга.