Исследователи выделили восемь отдельных нейронных подсетей, которые вместе образуют инфраструктуру связи коры головного мозга млекопитающих, части мозга, участвующей в функциях более высокого порядка, таких как познание, эмоции и сознание.
«Это исследование является первым комплексным картированием наиболее развитой области мозга млекопитающих: коры головного мозга. Кора очень сложна и состоит из множества плотно связанных между собой структур, но если ее разделить, она будет организована в небольшое количество подсетей », — сказал старший автор Хунвэй Донг из Института нейровизуализации и информатики USC.
Кора головного мозга — это самый внешний слой нервной ткани в головном мозге и одна из наиболее широко изученных структур мозга в области нейробиологии.
Однако до этого исследования его основополагающий организационный принцип все еще был в значительной степени неясным.
"Подумайте об этом: мозг создан для логики, поэтому его организация должна быть логичной.
Архитектурная организация мозга устроена таким образом, что все его подструктуры наиболее эффективно работают вместе, вызывая соответствующее поведение », — сказал Донг, доцент неврологии Медицинской школы им. Кека при Университете Южной Калифорнии. "Мы хотим найти код структурной организации мозга."
Исследование также напоминает о том, что, хотя данных сейчас больше, чем когда-либо, качество и надежность информации по-прежнему имеют значение.
В отличие от прошлых попыток лоскутного шитья, Донг и его команда предприняли попытку напрямую разработать атлас проводящих путей мозга мыши для всего мозга. Через кору они вводили флуоресцентные молекулы.
Эти молекулы затем транспортировались по «клеточным магистралям» мозга — нейрональным путям — и тщательно отслеживались с помощью микроскопа с высоким разрешением.
Единообразие и полнота усилий ученых по всей коре не только обеспечили доступную для поиска базу данных изображений корковых связей, которую исследователи делают в открытом доступе и общедоступными.
Это также позволило им надежно увидеть закономерности: кажущаяся непостижимой масса связей в коре головного мозга высокоорганизована и состоит из восьми отдельных подсетей, которые относительно сегрегированы.
«Систематический и всеобъемлющий способ сбора данных позволил провести подробный анализ, благодаря которому возникли эти подсети», — пояснил со-ведущий автор Хоури Хинтирян из Лаборатории нейровизуализации USC.
Чтобы ученые всего мира могли продолжить поиск фундаментальных структурных представлений, полный набор данных интерактивных изображений доступен для просмотра в Mouse Connectome Project, предоставляя ресурс для исследователей, заинтересованных в изучении анатомии и функции корковых сетей по всему мозгу.
«Это действительно довольно утомительно, — сказал Донг о сборе данных, — и трудоемко, и требует узкоспециализированных навыков и технологий.
Но подумайте о проекте генома человека и о том, насколько он ускорил процесс открытий и всю область, когда существовала инфраструктура, позволяющая людям делиться и сравнивать. Это была наша мотивация."
То, как эти подсети взаимодействуют, обеспечит важную основу для лучшего понимания болезней «разобщенности», таких как аутизм и болезнь Альцгеймера, при которых проявления симптомов потенциально являются результатом неупорядоченных или поврежденных связей.
Карту коры головного мозга мышей, составленную исследователями, можно сравнить с данными о пораженном болезнью мозге, мозге в процессе развития и генетической информации. Он также предложит необходимый контекст для некоторых особенностей человека, который вел себя так же, как другие млекопитающие всего несколько тысяч лет назад и который до сих пор разделяет основные основные поведенческие характеристики, такие как голод и боль.
«Фундаментальная логика мозга млекопитающих такая же, особенно когда дело доходит до основных форм поведения, таких как еда, сон и социальное поведение», — сказал Донг, отметив, что аналогичные исследования на людях до сих пор не дошли до клеточного уровня. "Существует множество принципов организации структур мозга, которые мы только начинаем понимать."
Исследователи определили подсети мозга на основе их высокой степени взаимосвязанности — хотя несколько структур относительно независимы, они обеспечивают коммуникационные маршруты, по которым эти подсети взаимодействуют. В сочетании с поведенческими данными из прошлых исследований и информацией о подкорковых мишенях эти взаимосвязи предполагают замечательную функциональную значимость для подсетей.
Четыре из восьми идентифицированных подсетей в коре головного мозга мыши связаны с ощущениями и движениями тела, что исследователи называют соматической сенсомоторной. В частности, исследователи выделили отдельные подсети для движений лица, верхних конечностей, нижних конечностей и туловища, а также усов.
Вместе эти сети способствуют развитию двигательного поведения, такого как еда и питье, тяга и хватание, передвижение и исследование окружающей среды.
Две другие подсети состоят из структур, расположенных вдоль средней линии коры головного мозга.
Согласно исследованию, эти медиальные подсети, кажется, предназначены для интеграции визуальной, слуховой и соматической сенсорной информации. Несколько других структур, расположенных вдоль боковой части мозга, образуют две боковые подсети, одна из которых потенциально служит для регулирования внутреннего состояния тела (i.е. вкус, голод, внутренняя информация), а другой — в качестве «мегаинтегрированной» подсети, которая позволяет взаимодействовать информации практически со всей коры головного мозга.