Ученые в скором времени смогут создать полную компьютерную модель головного мозга человека. Исследователи из Великобритании научились «переводить» на язык математики данные не только о соединениях нервных клеток, но и об их функциях.

Специалисты из Университетского колледжа Лондона уже на протяжении нескольких лет пытаются разгадать секреты «коннектомики»— новой области в науке, которая предназначена для того, чтобы построить математическую модель связей нервных клеток (синапсов). Такая синаптическая модель позволит ученым понять, каким образом в человеческом мозгу формируются восприятие, мысли, ощущения, и разобраться в причинах возникновения и точных механизмах болезни Альцгеймера, шизофрении и инсульта. Свое название «коннектомика» получила неспроста— по аналогии с геномикой, позволяющей описывать структуры генома.

Рис. 1. Синапс, контакт между нейронами. Передача сигнала происходит за счет выделения из «передающей» клетки специального вещества, нейромедиатора. Нейромедиатор воздействует на рецепторы принимающей клетки.

Извилины на карте

Картирование связей мозга — задача не из простых. По некоторым оценкам, в головном мозге человека находится около ста миллиардов нервных клеток, причем каждая из них контактирует еще с несколькими тысячами.

«Как мы можем понять работу нервных клеток мозга? — задает сам себе вопрос руководитель исследования Том Мршич-Флогель (Tom Mrsic-Flogel).— Прежде всего нам необходимо разобраться в функции каждого нейрона и узнать, по какой схеме он „общается“ с другими нейронами. Если найти способ отображения сформированных контактов между нейронами, отвечающими за определенную функцию, то можно приступить к разработке полноценной компьютерной модели, которая помогла бы объяснить нам, как нейронные сети формируют мысли, отвечают за движения и т.д.».

Рис. 2. Трехмерная реконструкция нейронов. Современные микроскопы способны сканировать послойно тонкие образцы и выдавать объемные модели вместо плоского снимка. (источник: Feng et al., Neuron, 2000).

Нервные клетки, в зависимости от расположения в головном мозге, выполняют разные функции. Одни отвечают за восприятие слуховой информации, другие — следят за координацией движений, третьи — регулируют дыхание и сердечные ритмы. Британские ученые в своей работе сосредоточились на тех нервных клетках, которые ответственны за восприятие зрительной информации. Интересно, что даже в пределах одной функции нейроны все равно различаются по своим «обязанностям».

Например, некоторые зрительные нейроны «специализируются» на обнаружении краев изображения, другие реагируют на появление горизонтальных краев, третьи— вертикальных, а совсем развитые их «сородичи» отвечают за целостное восприятие лиц— то есть гораздо более сложных образов.

От мышей к людям

В ходе исследования, результаты которого были опубликованы в начале апреля в журнале Nature, ученые из Великобритании провели серию экспериментов на мышах. Ученые изучали зрительную зону грызунов и смотрели, на какие внешние зрительные раздражители реагируют нервные клетки. То есть какой нейрон среагировал на край изображения, а какой— на появление более сложных картинок.

Рис. 3. Мышь – излюбленный объект экспериментов нейробиологов (источник: Science Photo).

После визуальных тестов исследователи решили разобраться в том, какие синаптические связи формируют обнаруженные нейроны. Для этого они прикладывали небольшие разряды тока к определенным зонам коры головного мозга грызунов.

В результате всех опытов исследователи смогли ответить на вопрос о том, возникают ли связи между нервными клетками спорадически, независимо от выполняемой функции, или же они строго организованы и формируются в ответ на определенные стимулы. Британцы показали, что нервные клетки, которые отвечают на внешние зрительные раздражители, соединяются друг с другом гораздо чаще тех, которые реагируют на другие воздействия.

Загадочный орган

Используя разработанную в ходе исследований технику, ученые надеются создать схемы областей коры больших полушарий, которые отвечают за определенную поведенческую функцию. По их мнению, это поможет им лучше разобраться в механизмах формирования многих мозговых процессов.

Рис. 4. Нанороботы на нервной клетке – возможно, именно так в будущем будет выглядеть человеческий мозг (источник: Science Photo).

«Мы начинаем распутывать клубок загадок, которые подарил нам наш мозг,— говорит Мршич-Флогель.— Как только мы сможем окончательно разобраться в механизмах возникновения соединений между нейронами и научимся полноценно картировать их функции, мы сможем построить компьютерную модель того, как работает наш мозг. Но на это потребуется не один год и довольно большие вычислительные мощности».