El Proyecto Cerebro Humano: ¿cómo sabemos lo que hay dentro de tu cerebro?






En Habrahabr a principios de 2013 tras el anuncio de la puesta en marcha de la mega-proyecto europeo para estudiar el cerebro humano con un presupuesto de más de mil millones de euros, a 10 años, fue publicado por la correspondiente Notas . A finales del año pasado, el mismo proyecto fue lanzado oficialmente, y marcó el primer medio, pero aún no se ha escrito una sola palabra de lo que base científica es la base para la futura labor titánica, comparable en importancia y escala con la decodificación del genoma humano y de una misión tripulada a Marte.

Al final del post que sólo puede hacer preguntas a la persona directamente involucrada en el equipo El Proyecto Blue Brain, las respuestas a las que dejará un post aparte. B> i>


En vez de prólogo h4>
Así, todo el mega-proyecto se divide en 12 sub-proyectos, que son, como, y se venden por separado - como aquí cruzar la computación de alto vacío y la biología, por ejemplo - pero estrechamente relacionadas y entrelazadas. No voy a aburrir largas y aburridas historias sobre cada uno de los proyectos. Para ello, hay videos cortos sobre el funcionario Youtube-канале El Proyecto Cerebro Humano (HTA, la información adicional se puede encontrar en sitio oficial). Los objetivos generales y los objetivos del proyecto se indican en este video:



En mi opinión, uno de los subproyecto básico, fundamental y por lo tanto el más importante es el estudio directo de la estructura de las neuronas, sus contactos y ubicación - red neuronal - un cerebro (Subproyecto 1 - El cerebro de ratón Subproyecto), así como la visualización de dichas redes para la posterior construcción de modelos y realmente aplicar este conocimiento en la glándula, en los cálculos.



Vamos a empezar con las historias minutos. La fecha exacta de la apertura de las células nerviosas, las neuronas , como tal, tal vez, no puede conducir. Sólo podemos decir con certeza que a finales del siglo 19 había acumulado suficiente conocimiento sobre el funcionamiento del tejido nervioso para caballeros en 1906 Golgi y Рамон-и-Кахаль compartió el Premio Nobel de Medicina por su trabajo sobre la estructura del sistema nervioso y la clasificación de las células nerviosas.

Durante los últimos cien años hemos entendido los principios básicos del funcionamiento del tejido nervioso, aprendido aún el nivel relativamente primitiva de intervenir en los procesos que ocurren en el mismo (por ejemplo, la anestesia o cirugía que afecte directamente el tejido nervioso), pero hasta ahora, una gran mancha tenían exactamente cómo el cerebro almacena información, ya que específicamente neuronas procesado, convertido.

¿Cómo sé a dónde van y donde las señales en el tejido nervioso? H4>
La omisión de los detalles de que las células nerviosas son diferentes, son en muchos aspectos vinculados con el tejido nervioso, tener diferentes funciones, es posible, sin embargo, para identificar características comunes en la estructura de las neuronas:




El modelo de neurona. Источник

Servir básicos de señalización axones como cables eléctricos que se extienden desde una neurona a otra y se requiere para la transmisión de impulsos. En teoría, pueden lograr gran longitud - de hasta un metro. Están asociadas a las mismas axones de otras neuronas a través de las sinapsis, mientras que al final de cada axón vesículas sinápticas son neurotransmisores:




transferencia de momento entre dos neuronas. Fuente i>

Por lo tanto, lo primero que nos interesa en dos cosas: el propio axón y colocación del axón a la siguiente célula nerviosa, que puede ser determinada por las vesículas sinápticas con neurotransmisores. Para ello, estamos a sólo dos métodos, en general: microscopía óptica fluorescente y microscopía electrónica.

Anticipándose a una pregunta lógica, ¿por qué no considero MRI (магнитно-резонансную tomografía) y la resonancia magnética funcional, estos métodos se utilizan más con el fin de localizar las áreas responsables de ciertas funciones (oído, vista, etc.), pero no ven las neuronas individuales y sus redes.

A continuación, voy a hablar sobre el primer subproyecto - el estudio del cerebro de ratón, pero no humano (por desgracia, razones éticas prevalecer sobre la razón). El segundo subproyecto dedicado a sólo tiene que utilizar la RM. Así, el estudio del cerebro de los ratones pobres nos dan información acerca de la estructura fina del cerebro, que entonces los científicos han estado tratando de ponerse en contacto con la RM.

Pero de vuelta. En el primer caso - el caso de la microscopía de fluorescencia - necesidad de pintar las neuronas con un tinte fluorescente, y luego obtener una imagen de la muestra a la excitación del colorante con luz a una longitud de onda específica (UV a menudo), pero la resolución de este método sólo se ven a sí mismos axones, por ejemplo, o sólo las dendritas, así están pintadas de diferentes colores, pero en general tuvimos un duro puede determinar cómo las neuronas interactúan.

Unos pocos ejemplos:




Un nuevo hito - Fluorescencia 3D-microscopía. Más sobre Ruso i>

Vídeo Inglés cómo fluorescente microscopía funciona en el caso de las células nerviosas se puede encontrar тут. Desafortunadamente, no hay reproductor incrustado, así que ir al enlace, por favor ...

Otro método - es la microscopía electrónica, la resolución de los cuales es de unos pocos nanómetros en el caso de un escaneo nanómetros y en caso de transmisión. Sin embargo, estos métodos son adecuados para cualquier análisis de superficie (exploración) o muestras delgadas - a 100 nm (translúcida). Parece que llegamos a un callejón sin salida, ¿no?!

La captura se agrava por el hecho de que todo el tejido (cerebro o cualquier otro) en su mayor parte se compone de tres elementos principales: carbono, nitrógeno y oxígeno, es decir, los elementos de luz. El contraste entre los elementos ligeros - e incluso mezclado y uniformemente distribuida - no dar aún los más avanzados en el mundo del microscopio electrónico. No es físicamente posible.

Largo o corto ... pero los científicos han encontrado una manera de salir de esta trampa. ¿Qué información queremos extraer? De hecho, lo que necesitamos saber la ubicación de las membranas de las células dentro del tejido, y entonces podríamos "restaurar" la ubicación de los mismos y su "internos" células. Y la solución se encuentra en el uso de sales de metales pesados ​​a "retoque" membranas. Por ejemplo, se encontró que el compuesto de osmio - El OsO 4 sub> - muy bien depositado sobre las membranas celulares o como comúnmente se le llama, se concentra.

En realidad, en el caso de pequeñas - para visualizar. Durante mucho tiempo sólo se utiliza la microscopía electrónica de transmisión, que requiere muestras muy delgadas que llevaron a los ingenieros para desarrollar ultra-crio-microtomo que se puede cortar a partir de la capa de tela de 30-50 nm. La microscopía electrónica de transmisión permitió que muchas generaciones de científicos para estudiar los cortes de cerebro, nos dio el conocimiento de la estructura interna de las células, se utilizó para estudiar los implantes bio-tolerancia, pero hoy en día este método es reemplazado por otro, la microscopía electrónica de barrido con reconstrucción 3D.




TEM-micrografía neuropil - procesos de acumulación de las células nerviosas (un aumento de 11 000 veces). Источник

microscopía 3D: nuevas oportunidades h4>
Bueno. Otro hemos sido capaces en el caos de las células nerviosas (y realmente es un caos, debido a que en las neuronas del pasado en una variedad de células de sostén de tejido) para identificar el punto de articulación de las neuronas individuales, sino en términos de la construcción de redes neuronales De un modo u, en realidad es información inútil, porque no hay la oportunidad de ver la ubicación de las células en el espacio tridimensional, es decir, la información sobre la organización tridimensional se nos oculta. Y no se encontró, yo diría, un método único - microscopía tridimensional, que ha sido posible sólo en los últimos años, gracias al desarrollo de la potencia de cálculo y procesamiento de los microscopios electrónicos
.
En microscopía electrónica EPFL ha sido el enfoque aplicado con éxito combina el ciclo completo de preparación de muestras de tejido cerebral y el análisis, seguido de su reconstrucción 3D. Данное video presenta las principales etapas del experimento:



Resultados de la fijación de la muestra de agua y una sustitución especial de resina (1:30 vídeo): a. Ratón espesor de cortes de cerebro de 80 micras, bc. Del recorte y el área de fijación de interés 3x3 mm, df. El tratamiento final con un microtomo. I>



El principio de la microscopía electrónica de barrido y Focused Ion FIB haz / SEM (4:00 vídeo): ab. Una disposición esquemática de cizallamiento FIB-haz de la tela y el haz de electrones, dando la imagen, cd. SEM-micrografías de tejido tratado.
I>



a. Imaging con FIB / SEM (5:55 en el video) y bc. El resultado final (08:00 en el video) i>

La principal ventaja del método - "corte" sólo 5 nm capa de tejido cerebral por un haz de iones focalizado (FIB) y luego escanear para obtener imágenes de un haz de electrones (SEM). Por lo tanto, estamos en condiciones de examinar con mucha precisión la estructura del tejido nervioso, pero lo más importante - ahora el tratamiento de dichos pilas (hasta 2000 imágenes) se puede realizar de manera casi automática, sin intervención humana, a través del uso de algoritmos especiales para el análisis de imágenes, ofreciendo reconstrucción exacta menudo no menos de los profesionales, los microscopistas.

Grupo Mark Canton ( Marco Cantoni ) utiliza un programa de libre vajilla diseñada específicamente para este tipo de análisis - ilastik . El proyecto tiene su propia representación en github , así que si alguien de estimados lectores Habra será interesante para participar en el proyecto o para ofrecer sus ideas, no es Creo que se les negará los desarrolladores.

Al final, tenemos un mapa en 3D de un pedazo de cerebro en la forma de un cubo con una ventaja de sólo unas pocas decenas de micras (sí, un poco, pero Moscú también no se construye en un día), pero no se desespere y damos por vencidos. Llegamos casi lo que querían - con bastante precisión visualizado en 3D no es toda la red neuronal, por supuesto, pero las neuronas individuales, y uno shazhochek más cerca de la meta principal. Esto es, según los autores de un ambicioso proyecto para comprender mejor los principios de organización y funcionamiento del cerebro.



SEM-micrografías y reconstrucción 3D de contacto sinóptica y todas las membranas dentro de las neuronas en el cerebro del ratón. Escala A - 1 micra, insertar la imagen A -. 5 micras I>

PS: Mirando hacia atrás y darse cuenta de lo que es un microscopio electrónico de tirón hecho en la última década, me gustaría señalar que los sistemas automatizados, incluidas las desarrolladas en este proyecto permitirán que en 5-7 años para manejar mucho más grande conjuntos de datos, y entonces el caso se mantendrán para los pequeños - sólo para crear un mapa en 3D del cerebro o "dispositivo, a través del cual pensamos, lo que pensamos" (Ambrose Bierce)
.
Cuando el entrenamiento se utilizaron materiales de código abierto: 1, 2 , 3

Fuente: habrahabr.ru/post/211997/

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