Оцифровка мозга 2024: 1 куб. мм коры = 1,4 петабайта данных — что нашли

Кубический миллиметр — это примерно половина рисового зёрнышка. Крошечный фрагмент ткани, невидимый невооружённым глазом как самостоятельный объект. В мае 2024 года в журнале Nature вышла работа, которая показала: именно столько ткани человеческой коры мозга содержит около 57 000 клеток, примерно 150 миллионов синапсов (контактов между нейронами) и генерирует 1,4 петабайта данных при полном картировании.

Для сравнения: 1,4 петабайта — это примерно три миллиона полных фильмов в высоком качестве. Или всё, что Google Street View сфотографировал за первые годы работы. В половине рисового зёрнышка.

Исследование провели совместно лаборатория Джеффа Лихтмана в Гарварде и команда Google Research. Образец — фрагмент височной коры (части коры мозга, участвующей в обработке звука, речи и памяти) взрослого человека. Работа заняла несколько лет и потребовала нарезки ткани на 1400 слоёв толщиной 30 нанометров каждый с последующей электронной микроскопией и реконструкцией при помощи ИИ. Результат — первая в истории полная трёхмерная карта такого масштаба для человеческого мозга.

Что такое коннектом и зачем его картировать

Коннектом (от англ. connectome — полная карта нейронных связей мозга) — это не просто перечень клеток. Это схема всех соединений между ними: какой нейрон с каким связан, через сколько синапсов, насколько сильна каждая связь. Именно коннектом определяет, как мозг обрабатывает информацию — в том числе тактильный сигнал от рук.

Идея картировать мозг полностью не нова. Джефф Лихтман и Винфрид Денк сформулировали задачу ещё в статье в Science в 2011 году: чтобы понять, как работает нейронная цепь, нужно знать её архитектуру — так же, как нельзя понять работу компьютера, не зная, как устроена его схема. Но масштаб задачи был устрашающим: полный коннектом человека содержит примерно 86 миллиардов нейронов и около 100 триллионов синапсов.

Поэтому начали с меньшего. В 2015 году команда Лихтмана опубликовала в журнале Cell первую насыщенную реконструкцию крошечного фрагмента мышиной коры — около 1500 кубических микрометров. Это был методологический прорыв: впервые удалось восстановить все нейроны и все синапсы в ограниченном объёме без пропусков. Работа 2024 года — то же самое, но для человеческого мозга и в объёме, в тысячи раз большем.

Что нашли: неожиданные открытия

Исследователи ожидали увидеть сложность. Они не ожидали увидеть её настолько.

Первое открытие: нейроны не просто соединяются — они образуют исключительно специфические паттерны. Некоторые пары нейронов соединялись друг с другом не одним синапсом, как предполагалось нормой, а сразу несколькими — в некоторых случаях до 50 параллельных синапсов между двумя клетками. Это было неожиданно: множественные синапсы между одной парой нейронов означают значительно более сильную и, по-видимому, более стабильную связь. Чем это функционально отличается от одиночного синапса — предстоит выяснить.

Второе открытие касается клеточного состава. Из 57 000 клеток примерно 57% составляли не нейроны, а глиальные клетки — вспомогательные клетки мозга: астроциты (клетки, поддерживающие нейроны и регулирующие синаптическую передачу), олигодендроциты (клетки, образующие миелиновую оболочку вокруг аксонов) и другие типы. Для нейронауки это не новость, но теперь впервые можно видеть их точное пространственное расположение относительно каждого нейрона и синапса.

Третье открытие — структура микросхем (microcircuits — повторяющихся паттернов соединений, которые встречаются снова и снова в разных участках одного и того же объёма). Исследователи обнаружили несколько типов устойчивых локальных схем, которые, по всей видимости, являются базовыми «вычислительными модулями» коры. Что именно они вычисляют в тактильном контексте — вопрос будущих работ, но сам факт их существования подтверждает давнюю теорию о модульной организации неокортекса (новой коры — эволюционно молодого слоя коры мозга, отвечающего за высшие функции).

Что это говорит о тактильных картах

Образец в исследовании 2024 года взят из височной коры — не из соматосенсорной (S1), которая непосредственно обрабатывает тактильные сигналы от рук. Но архитектурные принципы, обнаруженные в любом участке неокортекса, применимы ко всей коре: одни и те же слои, одни и те же типы нейронов, одни и те же паттерны соединений.

Для понимания тактильных карт это принципиально важно. Мы знаем из работ Пенфилда (1937), что каждый участок кожи руки имеет своё представительство в S1 — свою «точку» на карте. Мы знаем из работ Мерзенича (1983), что эта карта перестраивается под влиянием опыта. Мы знаем из работ Садато (1996), что кора способна перераспределять ресурсы между модальностями — зрением и осязанием.

Но до сих пор мы не знали, как именно выглядит архитектура связей, которая обеспечивает эту пластичность. Работа 2024 года — первый шаг к ответу на этот вопрос. Если множественные синапсы между одной парой нейронов означают более стабильную связь, то, возможно, именно они отвечают за «закреплённые» тактильные навыки — те движения, которые уже не требуют сознательного контроля. А одиночные синапсы — за новые, ещё нестабильные паттерны, которые только формируются.

Это пока гипотеза. Но данные, которые открыла работа 2024 года, позволяют её проверить.

Масштаб задачи: почему это заняло так долго

Ткань нарезали сфокусированным ионным пучком (FIB-SEM — Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy, метод электронной микроскопии с нанометровым разрешением, позволяющий послойно сканировать объём ткани) на 1400 ультратонких слоёв. Каждый слой сканировали электронным микроскопом. Полученные изображения содержали терабайты информации об отдельных синапсах и отростках нейронов толщиной в десятки нанометров — то есть в тысячи раз тоньше человеческого волоса.

Трёхмерную реконструкцию собирали алгоритмы машинного обучения Google Research. Без ИИ задача была бы физически невыполнима: ручная разметка одного только этого фрагмента заняла бы тысячи человеко-лет. Алгоритм справился за разумное время, хотя всё равно потребовал значительного ручного контроля качества.

1,4 петабайта итоговых данных открыты для научного сообщества — любая лаборатория в мире может работать с этим массивом. По словам авторов, это принципиальное решение: картирование мозга слишком масштабная задача для одной группы. Данные должны быть общедоступны.

Что это значит для понимания прикосновения

Когда рука сжимает Смяч — в соматосенсорной коре активируются тысячи нейронов. Каждый из них связан с другими через синапсы — одиночные и множественные, слабые и сильные, новые и многолетние. Именно архитектура этих связей определяет, как воспринимается тактильный сигнал: как привычный фон или как осознанное ощущение, как информация или как удовольствие.

Работа 2024 года — первое прямое свидетельство того, насколько эта архитектура сложна и индивидуальна. Каждый кубический миллиметр коры содержит уникальную схему связей, сформированную годами опыта. И эта схема продолжает меняться — каждый раз, когда рука получает новый тактильный ввод.

✅ Тактильный инструмент, о котором написана эта статья, теперь выпускается под названием Чилс. Заказ и подробности — на чилс.рф

Часто задаваемые вопросы

Что такое коннектом мозга?

Коннектом — это полная карта нейронных связей мозга: какой нейрон с каким соединён, через сколько синапсов (межнейронных контактов) и насколько сильна каждая связь. По аналогии с геномом (полным набором генов) коннектом описывает полную «схему» мозга. Именно коннектом определяет, как мозг обрабатывает любую информацию — в том числе тактильные сигналы от рук.

Что именно сделали Google и Гарвард в 2024 году?

Совместная команда лаборатории Джеффа Лихтмана (Гарвард) и Google Research впервые полностью картировала кубический миллиметр человеческой коры мозга с нанометровым разрешением. Образец — фрагмент височной коры взрослого человека. Ткань нарезали на 1400 ультратонких слоёв, каждый сканировали электронным микроскопом, затем ИИ собрал трёхмерную реконструкцию. Результат: 57 000 клеток, 150 миллионов синапсов, 1,4 петабайта данных, открытых для всего научного сообщества.

Почему 1,4 петабайта — это много?

1,4 петабайта — это 1,4 миллиона гигабайт. Для сравнения: весь текстовый контент Википедии на всех языках занимает около 21 гигабайта. Такой объём данных обусловлен разрешением сканирования: чтобы различить отдельные синапсы (контакты между нейронами), нужно разрешение в нанометры — в тысячи раз тоньше человеческого волоса. На таком масштабе даже крошечный объём ткани генерирует колоссальный массив информации.

Что неожиданного нашли в этом исследовании?

Главная неожиданность — множественные синапсы между одними и теми же парами нейронов. Предполагалось, что нейроны соединяются преимущественно через одиночные контакты. Оказалось, что некоторые пары связаны пятьюдесятью параллельными синапсами — что, по-видимому, означает значительно более сильную и стабильную связь. Функциональный смысл этого открытия пока изучается.

Как это связано с тактильным восприятием рук?

Напрямую — через архитектурные принципы. Образец взят из височной коры, но одни и те же структурные принципы применимы ко всей новой коре, включая соматосенсорную (S1) — зону, которая обрабатывает тактильные сигналы от рук. Понимание того, как именно организованы синаптические связи в коре, приближает нас к ответу на вопрос: почему тактильные карты пластичны, как они формируются при освоении навыков и почему регулярный разнообразный тактильный ввод важен для их поддержания.

Можно ли когда-нибудь картировать весь мозг человека?

Технически это возможно, но потребует колоссальных ресурсов. Полный коннектом человека содержит около 86 миллиардов нейронов и порядка 100 триллионов синапсов. Если масштабировать данные из исследования 2024 года, полный коннектом человека потребовал бы хранилища в зетабайтах — это в тысячи раз больше всей информации, накопленной человечеством. Поэтому более реалистичная стратегия — последовательно картировать функционально значимые области и разрабатывать методы, позволяющие делать это быстрее и дешевле.

⚠️ Статья носит ознакомительный характер. Исследование 2024 года — фундаментальная наука; его клинические применения находятся в стадии изучения. Продукт «Смяч» не является медицинским изделием.

Источники

1. Shapson-Coe A, Januszewski M, Berger DR, et al. A connectomic study of a petascale fragment of human cerebral cortex. Nature. 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07558-y

2. Kasthuri N, Hayworth KJ, Berger DR, et al. Saturated reconstruction of a volume of neocortex. Cell. 2015;162(3):648–661. DOI: 10.1016/j.cell.2015.06.054

3. Lichtman JW, Denk W. The big and the small: challenges of imaging the brain’s circuits. Science. 2011;334(6056):618–623. DOI: 10.1126/science.1209168

4. Penfield W, Boldrey E. Somatic motor and sensory representation in cerebral cortex of man as studied by electrical stimulation. Brain. 1937;60(4):389–443. DOI: 10.1093/brain/60.4.389

5. Merzenich MM, Kaas JH, Wall J, et al. Topographic reorganization of somatosensory cortical areas 3b and 1 in adult monkeys. Neuroscience. 1983;8(1):33–55. DOI: 10.1016/0306-4522(83)90065-6

Полный список источников: здесь

Оцифровка мозга 2024: Google и Гарвард картировали кубический миллиметр коры — и нашли там больше, чем ожидали