Одна з найбільших таємниць мозку. Вчені заявили про важливий прорив

Понад сто років науковці намагаються скласти точну карту людського мозку. Це схоже на те, як колись перші мандрівники відкривали нові землі: крок за кроком збирали окремі шматочки інформації, щоб зрештою побачити всю картину.

Але навіть сьогодні лікарі, які досліджують, наприклад, хворобу Альцгеймера, зазвичай аналізують лише кілька маленьких зразків тканини. І це при тому, що людський мозок містить приблизно 86 мільярдів нейронів. Тобто більша його частина досі залишається майже незвіданою.

Саме тому вчені з Центру дослідження мозку імені Суджи Гопала Крішна (SGBC) при Індійському технологічному інституті в Мадрасі (IIT-M) називають свою нову роботу справжнім проривом.

Вони створили те, що вважають найдетальнішим у світі тривимірним атласом стовбура людського мозку. Настільки детальним, що можна поступово перейти від зображення всього мозку на МРТ до окремої нервової клітини.

В його основі - понад 500 зрізів мозкової тканини, отриманих на різних етапах розвитку людини: від внутрішньоутробного періоду до дорослого віку.

Замість дорогих молекулярних технологій дослідники використали високоякісні мікроскопічні знімки. Завдяки цьому вони змогли побудувати тривимірну карту стовбура мозку, на якій видно понад 200 груп нервових клітин і нервових шляхів.

Ще точнішою карту зробили вісім спеціальних хімічних маркерів. Вони допомагають розрізняти різні типи клітин і дозволяють побачити одну з найменш досліджених, але водночас найважливіших частин людського мозку.

Невелика ділянка, без якої людина не може жити

Стовбур мозку займає зовсім небагато місця. Але саме він відповідає за найважливіші процеси в організмі.

Він поєднує головний і спинний мозок, контролює дихання, серцебиття, сон, пробудження та рухи.

Навіть ушкодження кількох клітин у цій ділянці може мати дуже серйозні наслідки. Проте через надзвичайно щільну будову стовбур мозку десятиліттями залишався майже недоступним для детального вивчення.

Найважливіше в новому атласі навіть не те, що він показує будову мозку значно детальніше.

Він вперше поєднує дві різні "картини" мозку. Одну ми бачимо на МРТ - вона показує мозок цілком. Іншу можна побачити лише під мікроскопом - вона дозволяє роздивитися окремі клітини. Раніше ці два способи дослідження існували окремо.

"Ми бачимо справді далекоглядну програму, яка виводить Індію на рівень світових лідерів", - каже індійська нейробіологиня Шубха Толе з Інституту фундаментальних досліджень Тата.

Вона називає проєкт "безпрецедентним поєднанням інженерії, нейронауки та медицини".

Від МРТ - до окремого нейрона

Коли лікарі досліджують мозок, вони спочатку оглядають його повністю, а вже потім переходять до аналізу окремих фрагментів тканини.

Мозок дорослої людини важить приблизно від 1,2 до 1,5 кілограма. Його форма, звивини та великі структури вже можуть підказати лікарям, що сталося, ще до роботи з мікроскопом.

"Як невропатолог, я спочатку оглядаю весь мозок неозброєним оком, а вже потім вивчаю невеликі фрагменти під мікроскопом", - розповідає Ребекка Фолкерт, яка співпрацює з Гарвардською медичною школою та Нью-Йоркським університетом і брала участь у проєкті SGBC.

"У разі хвороби Альцгеймера ми зазвичай досліджуємо лише 15–20 зрізів. Це мізерна частина всього мозку".

Так працюють уже понад сто років - ще з часів знаменитого іспанського нейробіолога Сантьяго Рамона-і-Кахаля.

Сучасне МРТ дозволяє побачити весь мозок, але не окремі клітини. Мікроскоп, навпаки, показує клітини дуже добре, але лише на маленьких ділянках тканини.

"Те, що створив індійський центр, - саме те, про що я мріяла на початку своєї кар'єри: щоб знімки мозку можна було зіставити з його мікроскопічною анатомією", - сказала Фолкерт в інтерв'ю BBC. За понад 30 років роботи вона вивчила тисячі зразків людського мозку.

Саме цей розрив і допомагає подолати новий атлас.

Тепер можна буквально "наближати" карту: почати з МРТ всього стовбура мозку, а потім поступово перейти до окремих нейронів, не втрачаючи їхнього точного розташування.

Автори відкрили атлас для всіх охочих. Вони сподіваються, що ним користуватимуться нейробіологи, неврологи та нейрохірурги в різних країнах.

Нові можливості для дослідження хвороб

Можливості нового атласу виходять далеко за межі анатомії.

Порівнюючи карти здорового мозку з тканинами, ураженими хворобами, вчені зможуть краще зрозуміти механізми розвитку хвороби Паркінсона, інсульту, хвороби Альцгеймера та синдрому раптової дитячої смерті.

Точніші карти також допоможуть нейрохірургам упевненіше працювати в одній з найскладніших ділянок людського мозку.

Сам по собі атлас не є інструментом для діагностики. Його головна цінність - у тому, що він відкриває нові можливості для досліджень і допомагає ставити запитання, на які раніше було важко знайти відповіді.

За словами фахівця з дослідження мозку Парти Мітри з престижної лабораторії Cold Spring Harbor у Нью-Йорку, який співпрацював із SGBC, такі детальні атласи можуть мати "революційний вплив" на вивчення неврологічних захворювань.

"Вони дозволяють буквально клітина за клітиною побачити, чим мозок людини з хворобою Альцгеймера чи аутизмом відрізняється від здорового", - сказав Мітра в інтерв'ю BBC.

За його словами, такі карти також допоможуть зрозуміти, як інфекції, зокрема Covid-19, спричиняють тривалі неврологічні порушення.

Ребекка Фолкерт наводить як приклад інсульт.

За її словами, атлас уже допоміг виявити нові особливості будови мозку, які можуть дати лікарям змогу зберегти тканини, що постраждали, але ще не втратили здатності до відновлення. Це потенційно може покращити результати лікування.

Інші дослідники також вважають, що атлас зробить операції на стовбурі головного мозку безпечнішими.

Як інженерія змінює нейронауку

Однією з головних переваг нового атласу є його відносна простота.

Він побудований на основі високоякісних мікроскопічних зображень тонких зрізів мозкової тканини, отриманих після смерті людини. Такий підхід робить створення детальних карт мозку на клітинному рівні значно доступнішим.

За словами Парти Мітри, саме це вперше дозволило створити настільки масштабну карту стовбура головного мозку людини.

Цей успіх відображає й ширші зміни в сучасній нейронауці, де все більшу роль відіграють не лише біологія, а й інженерні технології та методи обчислювального аналізу.

Близько 20 науковців протягом 18 місяців вручну проаналізували понад 200 зрізів мозку, поєднавши дані МРТ, мікроскопічні зображення та тривимірну реконструкцію в єдиний цифровий атлас.

Сьогодні в центрі SGBC працюють понад 200 дослідників, інженерів і технічних фахівців, які співпрацюють з колегами з усього світу.

За словами керівника проєкту Моханасанкара Сівапракасама, попри значний прогрес у вивченні мозку тварин, людський мозок досі досліджений набагато гірше.

Водночас, зазначає Парта Мітра, різні атласи мозку існували й раніше.

"Але різні атласи розв'язують різні завдання", - каже він.

Атласи, створені на основі МРТ, показують загальну будову мозку, але не окремі клітини.

Гістологічні атласи дозволяють побачити клітинну структуру тканин під мікроскопом.

Сучасні молекулярні методи йдуть ще далі, визначаючи точну природу кожної клітини.

Втім, науковці досі напрочуд мало знають про те, як приблизно 20 тисяч білків людського мозку розподіляються між його різними ділянками та типами клітин. Саме цей напрямок, імовірно, стане наступним етапом розвитку картування мозку.

"Мозок кожної людини - справжня скриня зі скарбами нових знань" - каже Ребекка Фолкерт.

Тепер команда планує дослідити мозок понад 100 людей різного віку, а також людей, які мали різні неврологічні захворювання, зокрема хворобу Альцгеймера та інші форми деменції.

Це дозволить сформувати унікальну бібліотеку, яка покаже, як хвороби змінюють мозок буквально клітина за клітиною.

Новий атлас не розкриє всіх таємниць мозку.

Але він дає вченим набагато точнішу карту, яка допоможе ставити правильніші запитання. А згодом, можливо, і знайти відповіді на них.