Мультимодальная карта мозга

Перед вами — мультимодальная карта областей коры человеческого мозга, опубликованная в 2016 году учеными из Университета Вашингтона в Сент-Луисе совместно с коллегами из шести других научных центров. Эта мультимодальная карта основана на данных томографических снимков с высоким разрешением. При ее создании исследователи в равной степени учитывали структурные и функциональные особенности, а также связи областей между собой. Карта состоит из 180 областей, цвета означают их функциональное значение. Каждая отдельная область на карте содержит клетки со сходной структурой, функцией и связями. Например, красным показаны области, связанные со слухом, зеленым — с осязанием, а синим — со зрением. Ученые выбрали эти функции, потому что они соотносятся с основными модальностями сигналов, поступающих в мозг.

Нейробиологи всегда стремились разделить мозг на более мелкие части, чтобы лучше понять, как он работает в целом. Они создавали карты, основанные преимущественно на анатомических или функциональных особенностях, учитывая только какой-то один признак. Основоположником анатомического картирования мозга был немецкий нейроанатом и психиатр Корбиниан Бродман. Он создал свою карту в 1909 году, поделив кору больших полушарий на 52 части на основе цитоархитектуры (см. Cytoarchitecture), то есть расположения нейронов, различающихся по величине и форме. Эти части известны сейчас как области, или поля, Бродмана (см. Цитоархитектонические поля Бродмана, а также Brodmann area). Каждая цитоархитектоническая область коры отмечена номером от 1 до 52, но области с номерами 12–16 и 48–51 не показаны на карте. Бродман объяснил эти «пробелы» тем, что некоторые области коры головного мозга человека не идентифицируются, но хорошо развиты у других видов млекопитающих. Чтобы определить эти 43 показанные области, Бродман изготовил гистологические препараты превосходного качества — полную серию срезов целых полушарий головного мозга человека (каждый срез толщиной около 20–30 мкм).

Однако две трети кортикальной поверхности скрыты в бороздах, и Бродман не показал на картах точного положения внутрибороздочных границ корковых участков, лишь изредка описывая их расположение в тексте своей статьи. Хотя он признавал, что определенные типы клеток могут обладать определенными функциональными свойствами, его карта была основана только на микроструктурной архитектуре. Бродман не выявил и индивидуальной изменчивости человеческого мозга, поскольку его карта была основана на изучении только одного мозга.

Еще одним ограничением цитоархитектонических исследований является зависящее от наблюдателя определение границ корковых областей — то есть ученые могут определять границы по-разному, особенно в тех местах, где они плохо различимы. Тем не менее модифицированные версии карты Бродмана сейчас широко используются для описания локализации активности областей мозга, например на снимках функциональной МРТ.

Классификация областей коры, иллюстрация из монографии Бродмана 1909 года. Каждая область закрашена уникальным способом. На них указаны числа, которые до сих пор широко используются для описания областей активации, например, на снимках фМРТ. Рисунок из статьи C. Blakemore, 2005. In celebration of cerebration

В 1950-е годы была составлена довольно подробная карта, учитывающая другой признак — функциональную специализацию областей. Она была основана на наблюдениях за людьми с поражениями мозга (вызванными, например, инсультами, болезнями или травмами), а также на данных прямой электрической стимуляции коры мозга пациентов, подвергающихся хирургическому вмешательству. Однако составители таких карт совсем не учитывали функциональные связи между областями, поскольку не располагали необходимыми методами.

Карта 1957 года, показывающая расположение функций в мозге человека. Рисунок из диссертации T. Sundstr?m, 2006. Human brain function evaluated with rCBF-SPECT. Memory and pain related changes and new diagnostic possibilities in Alzheimer’s disease

В 1848 году американский железнодорожный рабочий Финеас Гейдж из-за металлического стержня диаметром 3,2 см, прошедшего через его череп, лишился большей части лобной доли левого полушария головного мозга. Он сохранил свои интеллектуальные способности, но его личность была радикально изменена (читайте главу из книги «Как работает мозг» и слушайте лекцию Можно ли жить без мозга?). Долгое время внимание ученых было сосредоточено на связи этих нарушений с повреждением лобной коры, но они не рассматривали степень повреждения и разрушения основных связей между отдельными затронутыми областями и остальной частью его мозга. Недавно, используя реальный череп Гейджа, изображения нервных путей в головном мозге, полученные с помощью диффузионной спектральной томографии, и изображения структур мозга, полученные с помощью МРТ, была смоделирована травма Гейджа. Изображения были взяты у современных мужчин-правшей в возрасте 25–36 лет, так как Гейджу на момент травмы было 25 лет.

Ученые продемонстрировали, что, хотя значительный ущерб действительно был локализован в левой лобной коре, Гейдж также утратил около 11% белого вещества мозга. Кроме того, были затронуты связи между лобными долями и базальными ганглиями, островковой, лимбической и другими основными долями левого полушария, а также правой лобной, островковой и лимбической областями. Такие повреждения могли быть причиной того, что у Гейджа наблюдался не только дефицит исполнительных функций, связанный с повреждением лобной коры, но и изменения личности.

Моделирование травмы Гейджа: A — реальный череп Финеаса Гейджа в Анатомическом музее Уоррена в Гарвардской медицинской школе; B — возможные траектории стержня; C — изображение черепа Гейджа с наиболее подходящей траекторией стержня и примером путей прохождения волокон в левом полушарии, пересекаемых стержнем; D — вид внутренней части черепа Гейджа, показывающий протяженность путей волокон, пересекаемых стержнем. Изображение из статьи J. D. Van Horn et al., 2012. Mapping Connectivity Damage in the Case of Phineas Gage

Данные прямой электрической стимуляции коры мозга — заслуга Уайлдера Пенфилда, знаменитого американско-канадского нейрохирурга. Он вместе со своим коллегой Гербертом Джаспером разработал процедуру, при которой корковая ткань наркотизированного пациента в сознании стимулировалась электродами, что позволяло локализовать эпилептический очаг и направить хирургическое вмешательство. Их совместная работа с описанием методики вышла в 1951 году. Позже с помощью этой техники Пенфилд определил корковые связи с конечностями и органами, различив сенсорную и моторную функции. Так появились моторный и сенсорный кортикальные гомункулусы. Пенфилд стимулировал участки моторной коры (см. Motor cortex), что приводило к движениям рук, стоп или рта. Он представил свои наблюдения в виде карты, на которой области моторной коры последовательно связаны с определенной функцией — движением определенных частей тела.

Но классическая нейроанатомия эпохи Пенфилда вступила в противоречие с результатами современных методов визуализации мозга. Ученые показали, что области, отвечающие за движения определенных частей тела, прерываются и разделены тремя другими взаимосвязанными областями. Они отвечают за ряд функций, включая планирование действий всего тела и регуляцию внутренних органов, и активируются, когда человек просто думает о каком-то движении. Ученые назвали это сетью сомато-когнитивных действий (somato-cognitive action network, SCAN).

Слева — классический моторный гомункулус Пенфилда: области, отвечающие за движения разных частей тела непрерывно сменяют друг друга. Справа — современная модель организации моторной коры: чередование двух сетей — областей, соответствующих активности ног (зеленый), рук (голубой) и рта (оранжевый) и областей, связанных с планированием действий всего тела (фиолетовый). Рисунок из статьи E. M. Gordon et al., 2023. A somato-cognitive action network alternates with effector regions in motor cortex

Сейчас существуют по крайней мере две техники кортикальной стимуляции, которые не требуют хирургического вмешательства и могут использоваться у здоровых людей — транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) и транскраниальная электрическая стимуляция (ТЭС; см. Transcranial direct-current stimulation). Неинвазивное воздействие на электрическую активность в кортикальных тканях достигается в ТМС путем пропускания сильного электрического тока через катушку для генерации магнитного поля, которое, в свою очередь, может вызывать изменения в электрическом токе между нейронами в коре при приложении катушки к коже головы. В ТЭС электроды прикладываются к коже головы, и между ними создается электрический ток, который проходит непосредственно через кору. ТЭС используется реже, поскольку вызывает некоторую физическую боль. Кроме того, пространственное разрешение обоих методов довольно грубое.

В отличие от ТМС и ТЭС магнитно-резонансная томография предлагает хорошее пространственное разрешение, необходимое для картирования. Составители карты на главном изображении использовали наборы данных магнитно-резонансной томографии двух групп из 210 здоровых добровольцев, предоставленные проектом «Коннектом человека» (Human Connectome). Сканирование производили в двух режимах — когда участники находились в состоянии покоя (лежали в томографе и ничего не делали) и когда они выполняли различные когнитивные задачи — например, прослушивали истории, решали математические уравнения или смотрели на лица с разными эмоциями.

Используя данные первой группы и методы машинного обучения, ученые построили карту «типичного» мозга. Они подтвердили существование 83 уже описанных областей мозга и выявили 97 областей, которые никогда ранее не были описаны, несмотря на явные различия в структуре, функции и связях с соседними областями. Для известных областей названия были взяты из существующих исследований, для новых — либо придуманы новые названия, либо, если эти области представляли более мелкие части уже известных областей, после общего названия, взятого из ранних описаний крупной области, добавлялись уточняющие буквы.

Используемый алгоритм учитывал такие факторы, как совместная активация нейронов, степень миелинизации, плотность расположения нейронов. Алгоритм искал в коре головного мозга области, где есть значительные изменения в двух или более свойствах, и определял их границы на карте. Затем ученые применили этот инструмент к томографическим снимкам еще 210 человек, которые не были включены в первоначальное картирование. Они обнаружили высокую точность алгоритма — 96,6%, то есть он смог надежно определить почти все выявленные области при картировании снимков новых участников.

На этом изображении показана воспроизводимость первоначального картирования (210P) на другой группе людей (210V). Слева изображены объемные и плоские карты, показывающие степень миелинизации, а справа — карты активации областей мозга при прослушивании историй. Белые и черные стрелки указывают на постоянные изменения содержания миелина, а белый овал указывает на сравнительно небольшую область активации во время прослушивания историй, которая с поразительной точностью совпадает у двух групп участников. Изображение из статьи M. F. Glasser et al., 2016. A multi-modal parcellation of human cerebral cortex

На главном изображении яркие (унимодальные) области, преимущественно связанные со зрительной, соматосенсорной или моторной и слуховой обработкой, заняли менее половины карты. Исследователи использовали специальное цветовое пространство, чтобы показать, что многие области связаны сразу с несколькими модальностями. Например, фиолетовая область POS2 (см. рисунок ниже) является бимодальной — она связана с обработкой как зрительных (синий цвет), так и слуховых (красный цвет) сигналов. Сине-зеленый цвет расположен на цветовой схеме между зрительной и соматосенсорной или моторной модальностями, а значит области такого цвета LIPv и MT также являются бимодальными.

На рисунке представлены 180 областей, обозначенных и определенных как в левом, так и в правом полушариях. Черные контуры показывают границы областей. Цвета указывают на степень связи с основными модальностями сигналов, поступающих в мозг: красным показаны области, связанные преимущественно со слухом, зеленым — с осязанием, а синим — со зрением. Легенда внизу справа иллюстрирует 3D-цветовое пространство, используемое на рисунке. Изображение из статьи M. F. Glasser et al., 2016. A multi-modal parcellation of human cerebral cortex

Черный и белый цвета используются на карте, чтобы показать связь областей с когнитивными функциями, которые оценивались с помощью различных заданий (прослушивание историй и так далее). Области, активные во время той или иной задачи (обозначены на цветовом пространстве как task positive), обозначены белым цветом, а области, не связанные с выполнением задач (task negative) — черным. Такие черные области представляют собой так называемую сеть покоя, или пассивного режима работы мозга (см. Default mode network). Но это не означает, что задача всегда активирует одну сеть (обозначенную как task positive), или никогда не активируют сеть покоя (task negative), а подчеркивает противоположные отношения между этими сетями. Промежуточные более светлые или темные пастельные цвета указывают, что области могут быть одновременно связаны как с задачей, то есть определенной когнитивной функцией, или сетью покоя, так и с определенными сенсорными сигналами.

На полученной карте поражает двусторонняя симметрия функциональной организации: почти все области имеют схожие оттенки в левом и правом полушариях. Но, конечно, эта симметрия не полная. Составители карты отмечают цветовую асимметрию, особенно в областях, связанных с речью (например, области 55b, PSL, SFL и 44).

Размер полученных областей на карте варьировался от человека к человеку. У небольшого процента участников некоторые области имели нетипичное расположение. Например, область 55b примерно у 90% человек была связана с языковыми областями, а области FEF и PEF — с движением глаз. Однако у некоторых наблюдались нетипичные связи области 55b с другими областями, что указывает на ее участие в контроле движений глаз.

Картирование мозга прошло путь от крайне ограниченных представлений об анатомических особенностях мозга и его функциях до гиперреалистичной наномасштабной визуализации. Мультимодальная карта уже сейчас может помочь нейрохирургам избежать повреждения важных областей мозга. Однако идеальной карты пока не существует. Авторы считают, что их карта недооценивает истинное количество отдельных областей коры и что будущие исследования, скорее всего, обнаружат еще более мелкие области.

Рисунок с сайта flickr.com.

Екатерина Ларионова