Коннектом

Белое вещество в мозгу человека, визуализированное с помощью МРТ .

Как Коннект ( английский Коннект ) определяются как совокупность соединений в нервной системе в виде живых существ . Его исследования на разных уровнях посвящены коннэктомике ( англ. Коннектомика ), разделу нейробиологии .

Поскольку связи нервной клетки играют центральную роль в определении ее функции, их исследование является традиционным предметом биологических исследований. Однако пара терминов «коннектом» и «коннектомика» существует только с 2005 года. Проект коннектома человека , одобренный в сентябре 2010 года, способствовал его созданию, в рамках которого Национальные институты здравоохранения исследовали коннектом человека на общую сумму почти 40 миллионов долларов США. Продвигайте доллары.

Придумывание термина

Термин «коннектом» восходит к неврологам Олафу Спорнсу ( Университет Индианы ) и Патрику Хагманну ( Федеральная политехническая школа Лозанны ), которые независимо предложили его в 2005 году.

Сознательно ссылаясь на существующие термины геном и протеом , которые обозначают всю генетическую информацию или белки в живом существе, название «коннектом» предназначено для выражения того, что отдельные связи могут быть поняты только в их взаимном отношении друг к другу, подобно отдельные гены или белки взаимодействуют друг с другом в организме. Подобно протеому, коннектом не статичен, но подвержен постоянным изменениям из-за своей нейрональной пластичности .

Термин проводка , заимствованный из электротехники, используется для обозначения синаптических связей между нейронами .

Коннектом в разных масштабах

Исследования Connectome сосредоточены на сетевых свойствах нервной системы. Исследуемая сеть обычно представлена графом в смысле теории графов , то есть абстрактным набором так называемых узлов, соединенных ребрами. Конкретное значение узлов и ребер зависит от масштаба, на котором рассматривается нервная система. Возможные порядки величин примерно делятся на микромасштаб, мезомасштаб и макромасштаб.

Микромасштаб: коннектом как сеть нервных клеток

На высшем уровне, на микромасштабе, нервная система состоит из нейронов , связанных друг с другом синапсами . Исследование нервной ткани в этом масштабе требует ее отображения с разрешением в микрометровом диапазоне. В этом случае узлы в сетевом графе соответствуют отдельным нейронам.

Полная реконструкция Коннектом на микроуровне было впервые осуществлено в 1986 году в гермафродитов из самых нематод Caenorhabditis Элеганс . Ваша нервная система состоит из 302 нейронов, которые образуют около 5000 синапсов, 2000 нервно-мышечных замыкательных пластинок и 600 щелевых контактов . Он был описан в 1986 году на основе электронного микроскопического исследования серийных срезов, проведенного группой под руководством биолога Джона Уайта .

Подобное всестороннее исследование более сложных организмов невозможно при нынешнем уровне техники, поскольку количество их нейронов обычно исчисляется миллиардами. Основываясь на прогнозах, можно предположить, что человеческий мозг, например, содержит около 10 миллиардов нейронов, которые образуют около 100 миллиардов синапсов; Для сравнения, геном человека составляет немногим более 3 миллиардов пар оснований. В этом масштабе больше невозможно вручную отслеживать все аксоны в последовательных изображениях электромикроскопических срезов. Поэтому для этой задачи разрабатываются специализированные методы машинного зрения , но их качество еще не достигло уровня ручной сегментации . Кроме того, хранение и обработка полученных объемов данных уже представляет собой техническую проблему.

Мезомасштаб: корковые столбы и слои

Кора головного мозга организована в корковых колонках, группы из нескольких сотен или тысяч нейронов, с общим диаметром около 80 мкм. Они характеризуются общими афферентными нервными связями, особенно сильно связаны друг с другом и особенно выражены в первичных сенсорных областях. Они являются основным процессором коры головного мозга.

В дополнение к этой вертикальной организации, горизонтальные слои также можно различить гистологически ; В зависимости от их количества кора головного мозга делится на изокортекс (шесть слоев) и аллокортекс (от трех до пяти слоев). В то время как исследования мозга достигли значительных успехов в понимании на микро- и макромасштабах в своей недавней истории , все еще существует несколько подходов к исследованию того, как ассоциации нейронов работают на промежуточном уровне.

Макро шкала: связи между областями мозга

На основе их анатомических свойств или их функции можно выделить различные области мозга , которые образуют узлы сетевого графа, когда коннектом рассматривается на макроуровне. Эти центры связаны более длинными нервными волокнами, составляющими белое вещество . Общий ход многих крупных нервных пучков на макроуровне известен на основе знаний, полученных с помощью специальных процессов подготовки и окрашивания . Целью текущего исследования (по состоянию на 2012 год) является использование методов визуализации для изучения индивидуального коннектома живых испытуемых и объяснения влияния генетических факторов, нормальных процессов старения, а также процессов обучения и заболеваний. В дополнение к важным вкладам многочисленных небольших исследовательских проектов, Human Connectome Project представляет собой крупнейшую скоординированную исследовательскую программу в этой области в период с 2010 по 2015 годы. В настоящее время доступны следующие три метода:

Изображения диффузии позволяет непосредственно исследовать белого вещества. Он измеряет броуновское молекулярное движение молекул воды. Поскольку это ограничено микроструктурой нервных волокон, его предпочтительное направление позволяет оценить локальное расположение нервных волокон. Процессы трактографии используют такие данные для алгоритмической реконструкции хода основных нервных путей. Были предложены различные методы построения сетевого графа из диффузионных данных: одна из возможностей состоит в том, чтобы взять области мозга (то есть узлы графа) из кортикальной карты; Gong u. а. таким образом определим 78 регионов. Более точное разделение на 500-4000 узлов может быть достигнуто путем случайного группирования от 8 до 64 связанных вокселей каждый, которые в этом случае не имеют анатомического значения. Два узла соединяются ребром, когда трактография восстановила связь между соответствующими областями; Веса ребер можно получить из числа восстановленных кривых. Если общий коннектом должен отображаться для всей группы испытуемых, граница устанавливается только в том случае, если соединение было надежно воспроизведено внутри группы.

В дополнение к диффузионной визуализации, сетевые графы которой рассматриваются в контексте коннектомики как выражение «структурной» связности, также используется функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). В частности, корреляции в BOLD-сигнале , который является косвенным выражением активности мозга, оцениваются как указание на связь между соответствующими областями мозга. Измерения в состоянии покоя особенно распространены ; поэтому наблюдаемые сети называются сетями в состоянии покоя . В контексте коннектомики есть надежда, что функциональная визуализация будет, в частности, отображать полисинаптические соединения, которые содержат , например, переключатель в таламусе и, следовательно, не могут быть надежно распознаны с помощью диффузионной визуализации. В отличие от методов трактографии, фМРТ показывает связанные области мозга, но не сам ход нервной связи; В свою очередь, он меньше страдает от пересечения или разветвления волоконных полотен, что ограничивает точность и надежность методов трактографии.

Третий подход приводит к систематической корреляции толщины различных областей коры и связи между коррелированными областями. Эту толщину можно оценить по обычным Т1-взвешенным изображениям магнитно-резонансной томографии . Поскольку эти корреляции могут быть рассчитаны только путем сравнения субъектов, в этом случае нет индивидуального коннектома, а есть общий график для всех субъектов в исследуемой группе.

Коннектом в контексте функциональной специализации и интеграции

Согласно теории функциональной специализации и интеграции, определенные функции мозга требуют интеграции специализированных областей мозга. Существенной мотивацией для исследования коннектома является предположение, что связи между нервными клетками вносят значительный вклад в оба аспекта. Например, функция зрительной коры в первую очередь определяется ее афферентной связью с сенсорными клетками глаза. С другой стороны, из экспериментов с пациентами с расщепленным мозгом известно, что волокна мозолистого тела необходимы для интеграции визуальных впечатлений левого поля зрения с языковыми центрами .

В то время как функциональная специализация с помощью методов электрофизиологии и функциональной визуализации в настоящее время исследована и задокументирована относительно тщательно, ожидается, что исследование коннектома предоставит дальнейшее понимание механизмов функциональной интеграции, которые до сих пор были менее изучены.

литература

  • Себастьян Сын: Коннектом - Объясняет ли электрическая схема мозга наше «я»? Springer Spectrum, 2013, ISBN 978-3-642-34294-3 .

веб ссылки

Commons : Connectomics  - коллекция изображений, видео и аудио файлов

Индивидуальные доказательства

  1. ^ О. Sporns, Г. Тонони, Р. Кеттер: Человеческий Коннект: Структурное Описание человеческого мозга. В: PLoS Comput Biol.1 (4), 2005, стр. E42.
  2. ^ А б П. Хагманн: От диффузной МРТ к мозговой коннектомике. Диссертация . Федеральная политехническая школа Лозанны, 2005 г.
  3. ^ JG White, E. Southgate, JN Thomson, S. Brenner: Структура нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans. В: Phil. Trans. Royal Soc. Лондон. B 314, 1986, стр. 1-340.
  4. ^ О. Sporns: Коннект. В кн . : Scholarpedia. 5 (2), 2009, стр. 5584. Редакция 91162.
  5. ↑ SC Turaga, JF Murray, V. Jain, F. Roth, M. Helmstaedter, K. Briggman, W. Denk, HS Seung: Сверточные сети могут научиться генерировать графы сходства для сегментации изображений . В кн . : Нейронные вычисления . лента 22 , нет. 2 , 2010, с. 511-538 , DOI : 10,1162 / neco.2009.10-08-881 , PMID 19922289 .
  6. ↑ Манифест. Что знают исследователи мозга и что они могут делать сегодня? В кн . : Мозг и разум . Июнь 2004 г.
  7. ^ Э. Людвиг, Л. Клинглер: Atlas cerebri humani. С. Каргер АГ, Базель, 1956 г.
  8. ^ A b G. Gong, Y. He, L. Concha, C. Lebel, DW Gross, AC Evans, C. Beaulieu: Картирование паттернов анатомической связи коры головного мозга человека с использованием трактографии с тензорной визуализацией диффузии in vivo . В коре головного мозга . лента 19 , 2009, с. 524-536 , DOI : 10,1093 / cercor / bhn102 , PMC 2722790 (бесплатно полный текст).
  9. ↑ а б П. Хагманн, М. Курант, X. Жиганде, П. Тиран, В. Дж. Ведин, Р. Меули, Ж.-П. Тиран: Картирование структурных сетей всего мозга человека с помощью диффузионной МРТ. В: PLoS ONE . 2 (7), 2007, стр. E597.
  10. ↑ К. Р. Ван Дейк, Т. Хедден, А. Венкатараман, К. К. Эванс, С. В. Лазар, Р. Л. Бакнер: Внутренняя функциональная взаимосвязь как инструмент коннектомики человека: теория, свойства и оптимизация. В: Журнал нейрофизиологии . 103, 2010, с. 297-321.
  11. ^ Y. He, ZJ Chen, AC Evans: Анатомические сети малого мира в человеческом мозге, выявленные с помощью толщины коры на МРТ. В коре головного мозга. 17, 2007, стр. 2407-2419.
  12. ↑ К. Фристон: Функциональная интеграция. В: К. Фристон и др. (Ред.): Статистическое параметрическое картирование. Анализ функциональных образов мозга. Академик Пресс, 2011.
  13. ^ О. Sporns: Открытие Человеческого Коннекта. MIT Press, 2012, стр.20.