Коннектомика - Connectomics

Connectomics является производство и исследование Коннектом : подробные карты соединений внутри организма «s нервной системы , как правило , его мозга или глаз . Поскольку эти структуры чрезвычайно сложны, методы в этой области используют высокопроизводительное применение нейронной визуализации и гистологических методов для увеличения скорости, эффективности и разрешения карт множества нейронных связей в нервной системе . Хотя основное внимание в таком проекте уделяется мозгу, любые нейронные связи теоретически могут быть отображены с помощью коннектомики, включая, например, нервно-мышечные соединения . Иногда это исследование называют годологией .

Инструменты

Одним из основных инструментов, используемых для исследования коннектомики на макроуровне, является диффузионная МРТ . Основным инструментом исследования коннектомики на микромасштабном уровне является химическая консервация мозга с последующей трехмерной электронной микроскопией , используемой для реконструкции нейронных цепей . Корреляционная микроскопия , сочетающая флуоресценцию с трехмерной электронной микроскопией, дает более интерпретируемые данные, поскольку она способна автоматически обнаруживать определенные типы нейронов и отслеживать их полностью с помощью флуоресцентных маркеров.

Чтобы увидеть один из первых микроконнектомов в полном разрешении, посетите проект Open Connectome , в котором размещено несколько наборов данных коннектома, включая набор данных 12 ТБ от Bock et al. (2011).

Модельные системы

Помимо человеческого мозга , некоторые из модельных систем, используемых для исследования коннектомики, - это мышь , плодовая муха , нематода C. elegans и сипуха .

Приложения

Сравнивая больные коннектомы и здоровые коннектомы, мы должны получить представление об определенных психопатологиях, таких как невропатическая боль , и о возможных методах их лечения. Как правило, нейробиология выиграет от стандартизации и необработанных данных. Например, карты коннектомов можно использовать для информирования вычислительных моделей динамики всего мозга. Современные нейронные сети в основном полагаются на вероятностные представления паттернов связности. Коннекограммы (круговые диаграммы коннектомик) использовались в случаях черепно-мозговой травмы для документирования степени повреждения нейронных сетей.

Человеческий коннектом можно рассматривать как граф , и к этим графам можно применять богатые инструменты, определения и алгоритмы теории графов. Сравнивая коннектомы (или брейнграфы) здоровых женщин и мужчин, Szalkai et al. показали, что по ряду глубоких теоретико-графических параметров структурный коннектом у женщин значительно лучше связан, чем у мужчин. Например, женский коннектом имеет больше ребер, более высокую минимальную ширину двудольных частей , большую собственную щель , большее минимальное покрытие вершин, чем у мужчин. Минимальная ширина разделения (или, другими словами, минимальный сбалансированный разрез ) - это хорошо известный показатель качества компьютерных многоступенчатых межсетевых соединений , он описывает возможные узкие места в сетевой коммуникации: чем выше это значение, тем лучше сеть. . Более крупная собственная щель показывает, что женский коннектом является лучшим графом-расширителем, чем коннектом самцов. Лучшее свойство расширения, более высокая минимальная ширина разделения и большее минимальное покрытие вершин показывают значительные преимущества в сетевой связности в случае женского брейнграфа.

Также были введены локальные меры различий между популяциями этого графика (например, для сравнения случаев с контрольными группами). Их можно найти с помощью скорректированного t-критерия или модели разреженности с целью обнаружения статистически значимых связей, которые различаются между этими группами.

Коннектомы человека обладают индивидуальной вариабельностью, которую можно измерить с помощью кумулятивной функции распределения , как это было показано на рисунке. Анализируя индивидуальную вариабельность коннектомов человека в различных областях головного мозга, было обнаружено, что лобная и лимбическая доли более консервативны. , а края в височных и затылочных долях более разнообразны. «Гибридное» консервативное / разнообразное распределение было обнаружено в парацентральной доле и веретенообразной извилине. Также оценивались меньшие области коры: прецентральные извилины оказались более консервативными, а постцентральные и верхние височные извилины - очень разнообразными.

Сравнение с геномикой

Первоначально проект генома человека столкнулся со многими из вышеперечисленных критических замечаний, но, тем не менее, был завершен с опережением графика и привел ко многим достижениям в генетике. Некоторые утверждали, что можно проводить аналогии между геномикой и коннектомикой, и поэтому мы должны быть, по крайней мере, немного более оптимистично оценивать перспективы коннектомики. Другие критиковали попытки создать коннектом на микромасштабах, утверждая, что у нас недостаточно знаний о том, где искать инсайты, или что это невозможно завершить в реалистичные сроки.

Игра Eyewire

Основные статьи: Eyewire и Себастьян Сын

Eyewire - онлайн-игра, разработанная американским ученым Себастьяном Сеунгом из Принстонского университета . Он использует социальные вычисления, чтобы составить карту коннектома мозга. Он привлек более 130 000 игроков из более чем 100 стран.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки