Исследователи получили «отпечатки» белого вещества головного мозга человека. С помощью метода диффузионной МРТ они смоделировали самую детальную карту нейронных связей из всех когда-либо созданных. Ученые подтвердили: структурные соединения в мозге уникальны для каждого отдельного человека. В ходе исследования выяснилось, что по структуре нервной системы можно идентифицировать человека с точностью, близкой к 100%

Команда ученых во главе с Тимоти Верстиненом, доцентом кафедры психологии Университета Карнеги-Меллона изучила 699 карт нейронных связей – коннектом. Коннектомы показывают детальные связи в участке центральной нервной системы, состоящей из аксонов. Все аксоны в этой области покрыты оболочкой белого цвета, поэтому ее называют белым веществом.

Архитектура белого вещества – вещь индивидуальная, поэтому она пригодна для определения различий между «отпечатками» мозга. Структура нейронных связей частично определяется генетическими факторами, но большая ее часть изменяется под влиянием времени.

Специфические особенности мозга, которые помогают идентифицировать человека, кодируются уникальным рисунком связей между нейронами. Сравнить два коннектома разных людей и выразить эту разницу каким-либо количественным показателем – достаточно сложная задача. Анализ требует точной карты архитектуры белого вещества. Чтобы построить наиболее подробную карту нейронных связей, в своем исследовании ученые использовали данные диффузионной МРТ. Она измеряет диффузию молекул воды вдоль волокон белого вещества в мозге. Такой метод дает ученым возможность проследить направления аксонов и определить структуру нейронной связи от одного участка к другому, но он недостаточно точен. Поэтому исследователи отказались от него в пользу локального коннектома.

Локальный коннектом – это степень связности между соседними элементами в пучках белого вещества. Она измеряется тензором диффузии воды. Если соединить эти измерения, получится вектор, описывающий набор признаков, соответствующий коннектому конкретного человека.

Уникальность структуры локального коннектома: А — функция распределения спинов, демонстрирующая диффуцию жидкости; В — демонстрация различий каждого объекта с помощью дробной анизотропии; С — определение уникальности с помощью коэффициента диффузии.

Оценить эффективность подхода ученые смогли с помощью четырех наборов данных повторных сканирований, которые они получили в разные промежутки времени. В этом и заключается главная особенность исследования – ученые анализировали уже собранную когда-то информацию. Затем они выяснили, можно ли определить принадлежность коннектома человеку. Для этого они сопоставили информацию с отпечатками пальцев. Последующий анализ показал, что по локальному коннектому можно определить количественное сходство между связанными генетически людьми.

Измерения показали, что коннектом каждого человека уникален, как и отпечатки пальцев. Такую детальную карту можно использовать для идентификации личности наравне с дактилоскопией, и 17 тысяч идентификационных тестов подтвердили это предположение. С почти 100% точностью они могли определить, принадлежат ли два коннектома одному и тому же человеку, или нет. Вероятность ошибки этой технологии в тысячу раз меньше, чем у дактилоскопии. Но даже такой метод не дает полной гарантии.

Коннектомы гомозиготных (MZ), гетерозиготных (DZ) близнецов и братьев с сестрами (Siblings)

Коннектом можно использовать как маркер фенотипа человека. Ученые обнаружили, что у гомозиготных близнецов совпадает 12,51% структурных связей. У гетерозиготных общая часть еще меньше, всего 5,4%. У братьев и сестер, появившихся на свет поочередно, сходство составляет 4,51%. Со временем эта доля уменьшается в среднем на 12,79% каждые 100 дней.

Сходства и различия между близнецами и братьями-сестрами

«Самая захватывающая часть этого исследования состоит в том, что теперь мы можем применить новый метод к данным, которые собирались ранее, и выявить новую информацию, которую до этого никто не интерпретировал. Более высокая точность этого метода позволяет нам достоверно определить, как наследственные факторы и особенности окружающей среды со временем влияют на человеческий мозг. Таким образом мы сможем лучше понять функции и дисфункции мозга» – отмечает Фан-Чен Е, доцент неврологической хирургии в Питтсбургском университете и один из авторов исследования.

Таким образом мы можем увидеть, как события, объединяющие людей, отражаются на работе мозга. Метод диффузионной МРТ дает исследователям полезные биомаркеры. Они помогут определить, как болезни, окружающая среда, наследственные и социальные факторы влияют на мозг и его изменения во времени. Это значит, что все жизненные потрясения так или иначе отражаются на связях мозга человека. Уникальность «отпечатков» мозга сопоставима с отпечатками пальцев и не исключено, что когда-нибудь карта нейронов дополнит или полностью заменит дактилоскопию.

В последнее время ученые все чаще находят применение данным МРТ в различных сферах. В своей работе ученые из из Пенсильванского университета сравнили точность работы фМРТ и полиграфа в определении лжи. Оказалось, что даже у неврологов без опыта в детекции лжи шанс обнаружить обман на 24% выше, чем у профессиональных полиграфологов. Весной группа нейробиологов из университета Калифорнии в Беркли создала «семантический атлас» коры головного мозга. Он показывает, какие зоны головного мозга отвечают за обработку слов, связанных с цифрами, зрительными образами, географическими объектами, эмоциями и другими факторами. Кроме того, по атласу можно приблизительно понять, что человек читает и о чем думает.

Научная работа опубликована в журнале PLoS Computational Biology 15 ноября 2016 года

DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005203