Можно долго подшучивать над коннектомикой (connectomics), но прогресс в её развитии настолько сильный, что даже использование англоязычных калек не облегчает понимания сути дела. Этим постом хочу сказать, что уже доказано, что схема связей мозга настолько разнообразна и нетривиальна, что старые модели нейронных сетей не просто примитивны, но и никуда не годятся!

Желание глубже разобраться в новых типах нейронов PIT00254 связано с необходимостью знать целый ряд новых понятий.

Внутриклеточный транспорт является направленным; транспорт от эндоплазматического ретикулума через аппарат Гольджи к лизосомам, эндосомам или клеточной поверхности называется антероградным; транспорт в обратном направлении – ретроградным.

Кроме диффузной магнито-резонансной томографии (дМРТ) применяется технология Brainbow: Брэйнбоу – это метод нейровизуализации, в основе которого лежит использование флуоресцентных белков. Будучи внедрённым в геном животного, зелёный флуоресцентный белок и его генетически модифицированные варианты окрашивают нервные клетки в разные цвета (в общей сложности до 100 разных оттенков), что позволяет значительно более точно локализовать архитектуру нейронных связей отдельных клеток. Данный метод позволяет картографировать одновременно до 100 нервных клеток. Названием метода является сочетание английских слов brain (мозг) и rainbow (радуга).

Несколько аксонов сетчатки (> 10 !) сходятся на переключающих клетках таламуса взрослых мышей. Это доказано в работе
Sarah Hammer, Aboozar Monavarfeshani, Tyler Lemon, Jianmin Su, and Michael Andrew Fox. Multiple retinal axons converge onto relay cells in the adult mouse thalamus // Cell reports 12, no. 10 (2015): 1575-1583. doi 10.1016/j.celrep.2015.08.003

Аннотация статьи {Ohno2016}, которая появилась в сети 15/12/15. Продвижением микроскопических технологий создан значительный прогресс в нашем понимании мозга. Недавние усилия по выяснению полной карты электрических связей мозга называемой «коннектом» с помощью различных форм технологии обработки изображений, в том числе световой и электронной микроскопии, начали давать существенный вклад на нескольких организмах. Вклад был бы невозможен без недавних инноваций при получении и анализе больших массивов коннектомных данных. Текущие данные показали, сложные сети с однонаправленными и взаимными связями головного мозга схем на макро- и световой микроскопии («мезоскопических») уровнях, и невообразимой сложности синаптических связей между аксонов и дендритов на электронно-микроскопических («микроскопическом») уровне. В то же время, данные подчеркнул необходимость добиться существенного прогресса в методологии проведения коннектомных исследований, в том числе эффективной обработки и автоматизированного анализа полученных данных. Дальнейшему пониманию структурного и функционального коннектома, по-видимому, способствует комбинация различных методов визуализации. Такие многопрофильные подходы дают нам ключ к решению, может ли полная коннектомика выяснить фундаментальные механизмы обработки основных и высших функций человеческого мозга.

Ключевые слова: коннектом, синапс, схема мозга, тректография (trajectography)

{Ohno2016} Nobuhiko Ohno, Mitsuhiko Katoh, Yurika Saitoh, and Sei Saitoh. Recent advancement in the challenges to connectomics // Microscopy (2015): dfv371. Advance Access article. Perhaps it will Microscopy 65 (1), dfv371, p.?-? (2016). doi 10.1093/jmicro/dfv371

Для тех, кто будет читать статью, привожу перевод подписей к рисункам (для размещения рисунков и статьи здесь нет разрешения).

Рис. 1. Несколько подходов, используемых в исследованиях по коннектомике в разных масштабах. Коннектомные исследования выполняются на макроскопическом (~10-1-10-3 м, для целого мозга траекторий аксонов пучков), мезоскопических (~10-2-10-7 м, для клеточной морфологии и нервных прогнозов) и микроскопические (~10-4-10-9 м, для субклеточных структур, включая синаптических связей) уровней с различными разрешениями (а). Макроскопические, мезоскопические и микроскопические исследования в основном используют дМТР (b), световой микроскопии с флуоресцентным маркировки (c) и 3D реконструкции следующем последовательного приобретения изображения с помощью электронного микроскопа (d), соответственно. Изображения взяты из Шибата и др. [13] (b), Мияваки [47] (c) и Takemura [59] (d).

Рис. 2. Различные методы, используемые для маркировки мезоскопических анализа коннектома головного мозговой. В подходе Брэйнбоу (a), генетическая рекомбинация посредничестве системы Cre-LoxP приводит к стохастической маркировки нейронов с комбинациями различных флуоресцентных белков, что позволяет различать траектории отдельных нейронов [36]. С другой стороны, в последнее время исследования использовали коннектомные маркировки определенных нейронов с антероградной (b) и антероградной и ретроградной комбинаций (c) отслеживание методы через инъекции в определенных участках головного мозга [40,45]. FG: fluorogold (золото, меченное флуоресц.меткой); BDA: биотинилирован¬ный декстран амин; PHAL: лейкоагглютинин обыкновенной фасоли; CTb: субъединица b холерного токсина. Разрез мозга мыши с инжектированных антероградным индикатором и контрастирующим 4',6-диамидино-2-фенилиндол (DAPI) (d) показывает, что экспрессия (проявление) EGFP (d, f, g) после впрыскивания аденоассоциированного вируса и обычной антероградной метки BDA (d, e, g) локализуется в нейронах вблизи места инъекции. Область отмечены (d) увеличивается в (e)–(g) и (g) получают путем объединения (e) (показывая BDA) и (f) (показывая EGFP). Полоска: 1000 мкм. Вставки (d)–(g) адаптированы из Oh и др. [40] с разрешения.

Интересное открытие сделано совсем недавно.

Традиционно считалось, что неокортекс содержит два основных типа нейронов: пирамидальные нейроны (~80 % нейронов неокортекса) и вставочные нейроны (~20 % нейронов неокортекса). Новая кора (синонимы: неокортекс, изокортекс; лат. neocortex) — новые области коры головного мозга, которые у низших млекопитающих только намечены, а у человека составляют основную часть коры. Новая кора располагается в верхнем слое полушарий мозга, имеет толщину 2—4 миллиметра и отвечает за высшие нервные функции — сенсорное восприятие, выполнение моторных команд, осознанное мышление и, у людей, речь.

Используя новый метод изучения принципов подключения между морфологически определенных типов клеток в неокортексе, исследователи под руководством X Jiang и A Tolias обнаружили новые виды нейронов в головном мозге.

Xiaolong Jiang, Shan Shen, Cathryn R. Cadwell, Philipp Berens, Fabian Sinz, Alexander S. Ecker, Saumil Patel, and Andreas S. Tolias. Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex // Science 350 (6264), aac9462 (2015). https://goo.gl/2zuazo

Связь между морфологически определенными типами клеток в неокортексе.
(A) Одновременные восьмикратные записи активностей целых клеток для изучения связи с последующей морфологической реконструкцией. (B) Синаптические связи между морфологически различных типов нейронов, в том числе пирамидальных (P) нейронов.
(C) Соединения нейроглиальных клеток (NGCs) с другими типами клеток. Эти связи, как полагают, несинаптические и опосредованы объемной передачей (?биологической и/или химической связью?). Martinotti cell, MC (клетки Маринотти); neurogliaform cell, NGC (нейроглиаформные клетки); basket cell, BC (корзиночные клетки); single-bouquet cell-like cell, SBC-like (однобукетно подобные клетки); bitufted cell, BTC (двухохолковые клетки); bipolar cell, BPC (биполярные клетки); double-bouquet cell, DBC (двухбукетные клетки); chandelier cell, ChC (люстровые клетки); shrub cell, SC (кустарниковые клетки); horizontally elongated cell, HEC (горизонтально вытянутые клетки); deep-projecting cell, DC (глубоко выступающие клетки).

Эта же команда продолжила электрофизиологическое, транскриптомное и морфологическое профилирование отдельных нейронов с помощью совместного изучения физиологии нейронов и анализа РНК последовательностей (Patch-SEQ метод).

Cathryn R. Cadwell, Athanasia Palasantza, Xiaolong Jiang, Philipp Berens, Qiaolin Deng, Marlene Yilmaz, Jacob Reimer et al. Electrophysiological, transcriptomic and morphologic profiling of single neurons using Patch-seq // Nature biotechnology (2015). Accepted 02 Dec 2015; Published online 21 Dec 2015.

Фрагмент аннотации. Несмотря на важность неокортекса млекопитающих в сложных познавательных процессах, нам по-прежнему не хватает всестороннего описание его клеточных компонентов. Для улучшения классификации типов нейронов клеток и функциональной характеристике отдельных нейронов, представлен Patch-SEQ, метод, который сочетает в себе записи лоскутным электрофизиологическим зажимом целых клеток, одноклеточные РНК-последовательности и морфологическое описание. Использованием этого подхода созданы электрофизиологические и молекулярные профили 58 клеток неокортекса и показано, что паттерны экспрессии генов могут быть использованы для вывода морфологических и физиологических свойств, таких как разветвление аксонов и амплитуд потенциала действия отдельных нейронов. Эти результаты проливают свет на молекулярные основы разнообразия нейронов и предполагают, что Patch-SEQ метод может способствовать классификации типов клеток в нервной системе.

Прекрасный Рождественский подарок всем нам!