«Коннектом» относится к сложной взаимосвязанной сети нейронов (нервных клеток) в вашем мозге. Целью изучения коннектомов, также известных как коннектомика (https://en.wikipedia.org/wiki/Connectomics), является расшифровка нейронных сетей, которые генерируют мысли, чувства и поведение. Основа человеческого познания лежит в динамических моделях и взаимодействиях, сформированных коннектомом.

Картирование коннектома человека у здоровых детей и взрослых поможет исследователям раскрыть роль, которую мозговые схемы играют в процессе развития и старения, а также даст нам представление о многочисленных расстройствах мозга, снижении когнитивных способностей и психических заболеваниях.

Почему важен проект «Коннектом человека»?

Артур Тога, директор Лаборатории нейровизуализации Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) (https://dailybruin.com/2012/06/25/human_connectome_project_pieces_together_neural_data_through_brain_scans), который является одним из главных исследователей HCP, сказал: «Исторически мы сосредоточились на картировании структуры мозга, но мы не тратили много времени на изучение того, как эти структуры связаны друг с другом, каковы связи между ними и как они функционируют».

Нейронная информация перемещается через белое вещество из одной области мозга в другую. Любое нарушение или аномалия в путях белого вещества может привести к заболеванию. «Изучение белого вещества может помочь исследователям и неврологам понять болезнь», — сказал Пол Томпсон, профессор неврологии в Лаборатории нейровизуализации Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

«У многих людей с серьезными заболеваниями мозга есть некоторые аномалии в связях мозга», — сказал Томпсон. «До недавнего времени у исследователей не было методов сканирования, чтобы обнаружить или картировать связи в мозге», — добавил Томпсон.

HCP — это партнерство с Массачусетской больницей общего профиля Гарварда в Бостоне. MGH проводит сканирование мозга здоровых пациентов и отправляет результаты в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, где исследователи, такие как Джек Ван Хорн, невролог Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, применяют сложные алгоритмы к необработанным данным сканирования мозга, чтобы они могли создавать карты в мозге здорового пациента.

«Картируя сети белого вещества в мозге здоровых пациентов, исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе могут понять, как выглядят нормальные результаты сканирования», — сказал Ван Хорн. Затем ученые сравнивают сканирование мозга пациентов с нейродегенеративными заболеваниями со сканированием здоровых пациентов, чтобы точно понять, как неврологические заболевания влияют на мозг, добавил он.

HCP собирает поведенческие показатели ряда двигательных, сенсорных, когнитивных и эмоциональных процессов, которые позволят выделить основной набор функций, имеющих отношение к пониманию взаимосвязи между связями мозга и поведением человека. Кроме того, HCP использует функциональную магнитно-резонансную томографию (tfMRI), чтобы помочь выявить взаимосвязи между индивидуальными различиями в нейробиологических субстратах ментальной обработки и функциональной и структурной связностью.

HCP отслеживает основные нейронные пути, которые связывают примерно 500 основных областей мозга, наглядно показывая, как биологические схемы лежат в основе наших ментальных функций. «До сих пор у нас было лишь фрагментарное понимание того, кто с кем общается в мозге», — говорит Дэвид Ван Эссен из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, еще один главный исследователь HCP.

Исследователи надеются использовать данные HCP для изучения того, как связность мозга человека связана с его или ее умственными способностями, включая память, самоконтроль и принятие решений. Ван Эссен считает, что индивидуальное картирование коннектома может в конечном итоге привести к улучшению лечения психических расстройств.

В будущем, вместо того, чтобы просто предлагать обобщенный диагноз для психических расстройств, таких как аутизм, дислексия, шизофрения и т. д., невролог мог бы наблюдать аномальные мозговые схемы и точно определять, что является нетипичным, а затем точно настраивать индивидуальный режим терапии и/или приема лекарств.

Ученые обнаружили много связей между: увеличением, уменьшением и нарушением мозговых связей с широким спектром заболеваний и психических расстройств. Список включает:
- Болезнь Альцгеймера (снижение связности и изменения гиппокампа)
- Тревожность (увеличение связности и изменения миндалевидного тела)
- Синдром дефицита внимания и гиперактивности (изменение связности)
- Аутизм (изменение связности и мозжечка, изменения таламуса)
- Снижение когнитивных функций (нарушение связности и двигательных сетей)
- Депрессия (атипичное увеличение и уменьшение связности)
- Эпилепсия (нарушение и атипичное увеличение и уменьшение связности)
- Болевое расстройство (изменение связности)
- Болезнь Паркинсона (изменение связности)
- Обсессивно-компульсивное расстройство (атипичное увеличение и уменьшение связности)

Хотя проект Human Connectome Project находится в стадии разработки, он уже приносит некоторые захватывающие результаты. Недавнее исследование исследователей коннектома, опубликованное в журнале Science, показало, что нейроны мозга не являются беспорядочным клубком, как некоторые думали, а организованы в аккуратную сетку, напоминающую карту улиц города.

В октябре 2013 года в NeuroImage была опубликована еще одна статья под названием «Функция в человеческом коннектоме: Task-fMRI и индивидуальные различия в поведении». В этой статье (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1053811913005272) описывается логика и обоснование разработки батарей поведенческих, индивидуальных различий и tfMRI, а также приводятся предварительные данные о моделях активации, связанных с каждой из задач fMRI, как на групповом, так и на индивидуальном уровнях.

В дальнейшем наборы данных HCP и связанные с ними методы и программное обеспечение станут все более ценными ресурсами для характеристики связей и функций человеческого мозга, их связи с поведением, а также их наследуемости и генетических основ.

Вызванная заданием фМРТ (tfMRI) многое говорит о структуре и функциях мозга. Структурная МРТ фиксирует форму сильно извилистой и сложной коры головного мозга. Поведенческие данные обеспечивают основу для соотнесения мозговых цепей с индивидуальными различиями в познании, восприятии и личности.

Заключение: HCP и инициатива «BRAIN» — выигрышная комбинация

В марте 2013 года наборы данных HCP были предоставлены научному сообществу бесплатно. 2 апреля 2013 года президент Обама представил государственно-частную инициативу стоимостью 100 миллионов долларов по картированию мозга. Инициатива называется BRAIN, что является аббревиатурой от Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies. Инициатива BRAIN поможет ученым лучше понять, как мы думаем, учимся и помним на нейронном уровне. Она также даст нам лучшее понимание того, как лечить заболевания, начиная от аутизма и заканчивая шизофренией.

Как нейрохирург и нейробиолог 20-го века — в Гарвардской медицинской школе, Оксфордском университете и автор книги «Ткань разума» (Viking) — мой отец был разочарован ограничениями инструментов визуализации мозга, которые были в его лаборатории. Несомненно, он был бы в восторге, увидев эти технологические достижения и сотрудничество биологов, врачей, компьютерных ученых и физиков со всей страны, работающих вместе, чтобы собрать воедино части головоломки «связности мозга».

В другом захватывающем развитии ученые Стэнфордского университета объявили в апреле 2013 года, что они объединили нейробиологию и химическую инженерию, чтобы разработать процесс, который делает мозг мыши прозрачным и видимым в 3D под названием CLARITY. Руководитель проекта Мишель Фройнд, доктор философии, из отделения нейронауки и базовой поведенческой науки NIMH, описывает революционное открытие в этом коротком видео (https://www.youtube.com/watch?v=GQzaF2sQTPg).

Исследовательский грант проекта HCP в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе истекает в 2013 году, сказал Томпсон. Он добавил, что команда пытается завершить проект к тому времени и планирует опубликовать окончательные данные, чтобы научное сообщество могло использовать их для дальнейшего анализа.

Джек Ван Хорн и Артур Тога из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе заявили, что надеются, что публикация данных в открытом доступе будет способствовать дальнейшему исследованию неврологической основы заболеваний мозга. Эти знания затем могут быть потенциально использованы для разработки более эффективных лекарств для пациентов с психическими заболеваниями, заключил Ван Хорн.

Моя следующая книга под названием «SUPERFLUIDITY: Daily Habits that Optimize Brain Connectivity for a Lifespan of Health, Happiness, and Personal Bests» будет включать в себя практическое применение результатов как проекта Human Connectome, так и инициативы Обамы BRAIN.

Если вы хотите больше узнать об этой теме в Интернете, ознакомьтесь с моими публикациями в блоге Psychology Today:

- «Почему инициатива Обамы BRAIN важна»/"Why Obama's BRAIN Initiative Is Important"- (https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-athletes-way/201304/why-obamas-brain-initiative-is-important)
- «Гены аутизма могут нарушить связи между областями мозга»/ "Autism Genes Can Disrupt Connections Between Brain Regions" - *(https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-athletes-way/201311/autism-genes-can-disrupt-connections-between-brain-regions)
-«Еще одна причина отключить телевизор»/ "One More Reason to Unplug Your Television" - (https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-athletes-way/201311/one-more-reason-to-unplug-your-television)
- «Сон укрепляет здоровые связи мозга»/ "Sleep Strengthens Healthy Brain Connectivity" - (https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-athletes-way/201311/sleep-strengthens-healthy-brain-connectivity)
- «Размер и связь миндалевидного тела предсказывают тревожность»/"The Size and Connectivity of The Amygdala Predicts Anxiety" - (https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-athletes-way/201311/the-size-and-connectivity-the-amygdala-predicts-anxiety)
- «Медитация может замедлить снижение когнитивных способностей»/"Meditation May Slow Cognitive Decline" - (https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-athletes-way/201311/meditation-may-slow-age-related-cognitive-decline)
- «Нейробиологи выяснили, почему мужчины с Марса»/ "Neuroscientists Discover Why Men Are From Mars" - (https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-athletes-way/201311/neuroscientists-discover-why-men-are-from-mars)
- «Музыкальное обучение оптимизирует работу мозга» /"Musical Training Optimizes Brain Function" - (https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-athletes-way/201311/musical-training-optimizes-brain-function)
- «Гениальность Эйнштейна связана с хорошо связанными полушариями мозга» / "Einstein's Genius Linked to Well-Connected Brain Hemispheres" - (https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-athletes-way/201310/einsteins-genius-linked-to-well-connected-brain-hemispheres)
Please follow me on Twitter @ckbergland for updates on The Athlete’s Way blog posts.