Нейронауки «всем миром»: как с помощью игры создать 3D-схему мозга?

У нейробиологии есть особенность: в попытке учёных угнаться за пониманием работы мозга им открывается всё больше и больше иформации. Возникает вопрос: а как такое огромное количество информации обрабатывать? И учёные нашли ответ за пределами лаборатории: привлечь пользователей по всему миру с помощью увлекательной игры.

Источник: public domain

В недавнем исследовании изучали МРТ 210 участников, чтобы в дальнейшем создать как можно более детальную карту коры головного мозга человека. Полученный объём данных оказался эквивалентен 30 гигабайтам информации для каждого участника исследования. Всего же проанализировали более 6 терабайт информации для формирования карты, причём, изучалась только большая часть коры, даже не целый мозг.

Несмотря на такие объёмы затрачиваемой памяти, исследователи могут изучать только небольшие участки мозга, но не отдельные нейроны в этих областях и их соединения. Для этого нужны другие методы, например, микроскоп.

«Мал, да удал»: мозг грызунов во благо науки

Основатели европейского проекта «Blue Brain» изучают активность и взаимосвязь клеток головного мозга грызунов (так как его структуры сходны с человеческими). Проект направлен на создание компьютерной модели мозга с помощью передовых математических методов и суперкомпьютера компании IBM (International Business Machines).

В 2016 году американцы запустили альтернативный проект Алленовского Института по изучению мозга – Allen Brain Initiative. Здесь используют генетические и структурные карты мозга мышей с учётом морфологической формы, генетических особенностей и электрической активности отдельных клеток. С помощью полученных данных авторы проекта стремятся классифицировать все нейроны в головном мозге, построить их функциональную карту, а также выявить их взаимосвязи, называемые коннектомом (коннектом – полное описание структуры связей в нервной системе организма – прим. ред.).

Подход авторов проекта чем-то напоминает конвейер. Алекс Генри (Alex Henry) из института Аллена описывает его так:

«Процесс начинается с тонкой нарезки ткани мозга на слои размером 350 микрометров. Они насыщаются кислородом в камере, после чего переходят к нашей группе электрофизиологов, где исследуют электрическую активность нейронов в зрительной коре».

После этого в клетки вводят специальный краситель – биоцитин, который заполняет её полностью – от кончиков её дендритов (коротких отростков, принимающих сигналы) до терминалей аксона (длинного отростка, сигнал передающего).

Затем заполненные красителем клетки полностью отображаются с помощью 63-кратного увеличения. Объёмы полученных 3D-изображений могут превышать 100 гигабайт, причём для одного только нейрона.

Когда файлы данных попадают на рабочий стол Алекса, он воссоздаёт морфологию или форму нейронов в 3D с помощью программы Vaa3D и пользовательского интерфейса Mozak.

Mozak: как простые люди могут решать нейронаучные задачи

Mozak (на славянских языках означает «Brain» или «мозг») – бесплатная компьютерная игра, разработанная в Центре компьютерных игр Университета Вашингтона. В ней игроки отслеживают проекции нейронов в трёх измерениях.

Директор проекта и профессор Зоран Попович (Zoran Popovic) объясняет, что при помощи микроскопов с компьютерным управлением появляется всё больше и больше данных о нейронах, которые, к сожалению, медленно обрабатываются. Этот становится препятствием для нейронауки, особенно для классификации нейронов, которая как раз представляет собой одну из ключевых целей Алленовского Института мозга.

Преодолеть это препятствие могут простые люди, точнее – игроки. Играя в такие игры, как Mozak, участники по сути «конструируют» нейроны, например, электронных микрофотографий сетчатки, чем помогают определить структуру её большого сегмента.

Компьютерная игра Mozak помогает создать нервные клетки в 3D и показывает пользователю, насколько хорошо они отображаются. В результате можно увидеть изображение, сформированное из взглядов как минимум пяти разных людей.

«Это отличается от ситуации в лаборатории, где конструированием занимается лишь один аспирант или постдок. Там вы получаете представление о клетке только от одного человека. Игра Mozak позволяет сформировать сочетанный взгляд на конструкцию нейрона, который оценивается экспертами в институте Аллена. Затем они дают обратную связь и ведут наблюдение за нейроном из его различных сегментов: дендритов, тела клетки и аксона», – добавляет Зоран.

Нейрон из 6-го слоя зрительной коры (слева) формируется игроками Mozak (синий цвет), а затем курируется экспертами в Институте Аллена с подробным описанием различных частей клетки: апикальный дендрит (розовый), базальный дендрит (синий) и аксон (красный). Источник: Институт Аллена.

 Один за всех, и все – за одного

Таким образом, реконструкцию нейронов, проводимую в институте Аллена, с помощью игры можно осуществить намного быстрее. Алекс подтверждает, что появление Mozak помогло изучить около 700 клеток, которые воспроизводились технологическим «конвейером» Brain Initiative. Об этих клетках есть в том числе и электрофизиологические данные, а это – ценный ресурс для нейробиологов по всему миру.

Такой тип данных особенно полезен нейробиологам-теоретикам, которые создают математические модели поведения нейронов. Знание размеров, толщины клеток, а также происходящих в них процессов в сочетании с данными об их электрической активности имеет решающее значение для компьютерного моделирования, которое в дальнейшем поможет распределить нейроны по группам.

В будущем Зоран строит большие планы на Mozak и вообще любительскую нейронауку. Его амбиции небезосновательны: предыдущий научный проект Зорана «Foldit» привлёк к участию тысячи людей по всему миру для того, чтобы понять структуру сложных белков, чем оказал значительное влияние на эту область биохимии.

«Привлекательность игры Mozak заключается в том, что она не зависит от типа данных и может их распознавать из разных хранилищ всего мира. Brain Initiative – всего лишь одно такое хранилище», — добавляет учёный.

Хоть участие граждан для воссоздания структур в веб-браузерах и не относится к высоким технологиям, это – довольно мощный метод анализа, который поможет преодолеть вышеописанный эффект «бутылочного горлышка». Если люди будут и дальше использовать Mozak для создания морфологии нейронов, то можно сделать значительную схему, характеризующую 86 миллиардов нервных клеток, существующих в мозге. По мнению Зорана, потенциально это может привести к совершенно новому пониманию нейронной классификации. Такое достижение повлияет и на знания о заболеваниях мозга и, возможно, откроет новые мишени для воздействия лекарств.

«Теперь у нас есть инструменты для того, чтобы охарактеризовать все типы клеток в мозге, осталось только до них добраться!» — заключает Алекс.

Перевод: Инна Егорова

Источник: https://www.technologynetworks.com

Источник: neuronovosti.ru

Комментарии: