Нейробиологи в восторге: Google разглядела «мысли» в мозге под обычным микроскопом

Несмотря на современное оборудование и колоссальный опыт в нейробиологии, учёные лишь поверхностно понимают механизм работы головного мозга. Остриём научной атаки на мозг стала коннектомика — наука о клетках мозга, их связях и сигналах во всём многообразии. Это фактически составление карты мозга со всеми его чувствами, мыслями и желаниями. Полное понимание структуры и процессов нервной ткани позволит лечить заболевания и даже оцифровывать личности.

Наиболее детальное составление карты нервной ткани стало возможным с появлением электронной микроскопии. Электронные микроскопы обеспечивают разрешение с шагом до одного нанометра, позволяя заглянуть даже внутрь клеток. Однако это крайне дорогое и сложное в эксплуатации оборудование, доступное лишь немногим лабораториям в мире. Иное дело — обычные оптические микроскопы, которые впервые оказали услугу биологии без малого 400 лет назад.

Благодаря личному любопытству торговца тканями Антони ван Левенгука, направившего свой примитивный микроскоп на изучение живых микроскопических организмов вместо проверки качества окраски текстиля, мир впервые получил изображения эритроцитов, сперматозоидов и других объектов, невидимых невооружённым глазом.

Сегодня оптические микроскопы широко доступны и относительно недороги — по крайней мере, в сравнении с электронными микроскопами, работающими на основе рассеивания электронных пучков. Однако увеличение оптики не позволяет рассматривать объекты размером менее нескольких сотен нанометров, что делает такие устройства непригодными для изучения нервной ткани. Так было до тех пор, пока Google совместно с учёными из Австрии не создала протокол составления коннектома с использованием оптических микроскопов.

Препринт работы Google и сотрудников Института науки и технологий Австрии (ISTA) появился около года назад. Недавно она была опубликована в журнале Nature. Ранний выход статьи позволил независимым научным группам испытать революционную технологию визуализации нервной ткани и подтвердить её воспроизводимость.

Суть метода LICONN заключается в том, что срез нервной ткани последовательно обрабатывается тремя гидрогелями: два из них формируют каркас внутри всех клеток, а третий закрепляет структуру. В процессе впитывания воды гидрогели увеличиваются примерно в 16 раз, физически растягивая срез ткани. Это делает возможным детальное изучение структуры среза под обычным оптическим микроскопом. Более того, окрашивание белков различными химическими, в том числе флуоресцентными, веществами позволяет выявлять специфические молекулы и белки — чего невозможно достичь при использовании электронной микроскопии.

С помощью предложенного протокола исследователи Google, используя оптический микроскоп, воссоздали коннектом среза головного мозга мыши, включая все нервные отростки нейронов общей длиной около полуметра (дендритов и аксонов). Химическое маркирование позволило выявить синапсы, их ориентацию и даже отдельные нейромедиаторы, а также некоторые специфические молекулы.

Разобраться в этом массиве данных и собрать изображение отдельных участков среза в объёмную карту участка мозга помогли алгоритмы Google и методы машинного обучения. В компании уверены, что предложенная методика и протокол ускорят изучение функций мозга млекопитающих и человека, позволят разрабатывать методы лечения нейродегенеративных заболеваний и даже задуматься об оцифровке личности — фактическом бессмертии сознания.