人类脑计划:我们怎么知道什么是你的大脑里面?






在Habrahabr在2013年的推出的欧洲大型项目,以研究人类大脑的超过十亿欧元,10年预算公布后开始,由相应的说明。截至去年年底,同样的项目正式启动,标志着第一个手段,但还是不写什么科学依据的基础是为即将到来的泰坦尼克号的工作,具有可比性的重要性和规模与人类基因组和载人任务进行解码一个字火星。

在帖子的最后,你可以问问直接参与球队的人的问题的蓝脑计划,这些问题的答案会留下一个单独的帖子。 B> i>的


相反前言 H4>
因此,所有的大型项目分为12个子项目,这是一样,和单独销售 - 这里穿过高负荷计算和生物,例如 - 但密切相关,唇齿相依。我不会承担有关每个项目的漫长和无聊的故事。要做到这一点,有官方<短视频href="http://www.youtube.com/watch?v=3eqrD9SfCjM&list=PLHyCyen_OSENZx8F1sLHG6w3QIy3Y1mb8&index=1">Youtube-канале人类脑计划(可在官方网站)。该项目的总体目标和具体目标都显示在这个视频:



在我看来,基本的,根本的,因此最重要的子项目之一,是神经元,他们的接触和位置结构的直接研究 - 神经网络 - 脑(子项目1 - 鼠脑子项目),以及这些网络的可视化模型的后续建设,真正实现这方面的知识,在腺体,在计算。



让我们先从分钟的故事。神经细胞开幕的确切日期,神经元的,正因为如此,也许,不能引导。我们只能肯定地说,到了19世纪末,已经积累了神经组织,以绅士的运作足够的知识,在1906年的高尔基和<一href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B0%D0%BD%D1%82%D1%8C%D1%8F%D0%B3%D0%BE_%D0%A0%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D0%BD-%D0%B8-%D0%9A%D0%B0%D1%85%D0%B0%D0%BB%D1%8C">Рамон-и-Кахаль共同获得诺贝尔医学奖,他的神经系统和神经细胞的分类结构的工作。

在过去的百年,我们已经了解了神经组织运作的基本原则,了解到即使是比较原始的水平,在它发生的过程进行干预(如麻醉或手术直接影响神经组织),但到现在为止,大量现货有大脑存储它究竟是如何信息,因为它明确神经元处理,转换。

我怎么知道哪里去了,并在那里的神经组织的信号? H4>
省略了神经细胞的细节是不同的,它们在许多方面链接到神经组织,具有不同的功能,这是可能的,但是,以确定在神经元的结构的共同特征:




模型神经元。 Источник

先得信令轴突作为电缆而从一个神经元延伸到另一个所需的脉冲的传输。从理论上讲,他们可以取得巨大的长度 - 可达一米。连接到其他神经元通过突触相同轴突,而在每一个轴突的末端突触小泡是神经递质:




两个神经元之间的动量转移。 来源 I>

因此,第一件事我们感兴趣的是两件事情:轴突本身以及附连轴突到下一个神经细胞,其可通过突触小泡与神经递质来确定。为此,我们只有两种方法,大体上:荧光光学显微镜和电子显微镜。

期待一个逻辑问题,为什么我不认为MRI(<一href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE-%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D1%8F">магнитно-резонансную断层)和功能磁共振成像,这些方法用得较多,以负责某些功能(听觉,视觉等)方面的本地化,但没有看到单个神经元及其网络。

接下来,我将谈论的第一个子项目 - 鼠脑的研究,而不是人的(不幸的是,道德上的原因战胜的原因)。第二个分项目,致力于只使用MRI。因此,穷人小鼠大脑的研究,给我们介绍一下大脑,然后科学家们一直试图通过MRI联系的精细结构信息。

但回来。在第一种情况下 - 需要油漆的神经元用荧光染料,然后得到的样品在染料的光激发的图像在特定波长(UV常),但这种方法的分辨率将只看到自己轴突,例如,或仅树突,所以 - 的荧光显微镜的情况下他们都被漆成不同的颜色,但整体而言,我们有困难可以决定如何神经元相互作用。

举几个例子:




一个新的里程碑 - 荧光的3D显微镜。 更多关于俄罗斯 I>

视频英语怎么荧光显微镜在神经细胞的情况下工作,可以发现<一href="http://www.sciencelearn.org.nz/Contexts/Exploring-with-Microscopes/Sci-Media/Video/Brain-cells-in-3D">тут.不幸的是,没有嵌入式播放器,所以去的链接,请...

另一种方法 - 是电子显微镜,分辨率,其中是几个纳米的纳米扫描的情况下,并在发生传输。然而,这些方法都适合任何表面分析(扫描)或瘦标本 - 至100nm(半透明)。看来,我们到了一个死胡同,不是吗?!

碳,氮和氧,也就是,光元件:锁扣是由大部分的整个组织(脑或任何其他)由三个主要元件的事实复杂化。甚至混合并均匀分布 - - 不能得到即使是最先进的电子显微镜的世界的光元件之间的对比度。这不是身体可能。

或长或短...但科学家已经发现了一种摆脱这种陷阱。我们想要什么样的信息提取?事实上,我们需要知道在组织内的细胞膜的位置,然后我们可以“恢复”的细胞本身和它们的“内部”的位置。并将该溶液被发现在使用重金属盐的为“触摸停止”膜。例如,人们发现,锇的化合物 - OSO <子> 4 次> - 非常好沉积在细胞膜或因为它通常被称为被浓缩。

其实,对于小的情况下 - 可视化。对于只用透射电子显微镜很长的时间,这需要非常薄的样品,促使工程师开发超低温切片机,可以从该织物层被切割,以30-50纳米。透射电镜允许许多代科学家研究大脑切片,给我们的知识单元的内部结构,被用于研究生物耐受植入物,但今天这种方法被替换为另一个,具有三维重建扫描电子显微镜。




TEM-显微神经纤维 - 神经细胞的积聚过程(增加了11 000倍)。 Источник

3D显微镜:新的机遇 H4>
好。这种或那种方式,我们(在各种支持组织细胞,它真的是一片混乱,因为在过去的神经元自理)之所以能在神经细胞的乱来识别单个神经元的衔接点,但在建立神经网络方面,它实际上是无用的信息,因为没有机会看到细胞的位置在三维空间中,也就是,有关三维组织信息是从我们隐藏。有发现,我会说,一个独特的方法 - 立体显微镜,这已成为可能仅在过去的几年中,由于计算能力和处理电子显微镜的发展

在 EPFL已成功应用于办法中心电子显微镜相结合的脑组织样本制备和分析的完整周期,其次是它的三维重建。 Данное 视频呈现的实验的主要阶段:



固定的水样和特殊的树脂替代(1:30视频)的结果:一。鼠脑切片厚度为80微米,BC。切出和利益的3x3毫米,DF固定区域。用切片机最终处理。 I>



扫描电子显微镜的原理和聚焦离子束FIB / SEM(16:00视频):AB。织物与电子束的FIB束剪切的示意结构,它所产生的图像,光盘。 SEM-显微照片处理过的组织。
I>



一个。成像FIB / SEM(视频5:55)和BC。最终的结果(在视频8:00) i>的

该方法的主要优点 - “切削”只有5纳米的脑组织通过聚焦离子束(FIB)层,然后在扫描成像的电子束(SEM)。因此,我们能够非常精确地检查神经组织的结构,但更重要的是 - 如堆叠的现在的处理(高达2000的图像)可被几乎自动地进行,无需人工干预,通过使用图像分析特殊的算法,将提供准确的重建常不比专业人士,显微镜少。

集团马克广(马坎托尼)使用专门为这种分析设计了一个免费软件程序 - 的ilastik 。该项目拥有自己的代表在 github上的,所以如果有人从亲爱的读者Habra的将是有趣的,参与项目或献计献策,这是不我认为开发商将被拒绝。

最后,我们有一块大脑的立方体形式仅为几十微米的边缘的3D地图(是的,一点点,但莫斯科也没有一天建成的),但不绝望而放弃。我们几乎得到了他们想要的东西 - 很精确的可视化3D是不是整个神经网络,当然,但单个神经元,和一个shazhochek接近主要目标。这是根据一个雄心勃勃的项目,以更好地了解企业的​​大脑和运作原则的作者。



SEM-显微照片和三维重建的天气接触和所有在小鼠的大脑中的神经细胞内的膜。规模的A - 1微米,插入图像A - 5微米 I>

PS:的回顾,实现什么让过去十年挺举电子显微镜,我想指出的是自动化系统,其中包括本项目开发将允许在5-7年,以处理更大数据集,然后的情况下将保持为小 - 不仅要创造的大脑或的3D地图“装置,通过它,我们认为,我们在想什么”(安布罗斯比尔斯)

在培训材料中使用开放源代码:<一href="http://www.microscopy-analysis.com/sites/default/files/magazine_pdfs/mag%202010_May_Cantoni.pdf">1, 2 ,的 3

来源: habrahabr.ru/post/211997/

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