Человеческий мозг отсканировали с рекордным качеством
Приготовление срезов мозгаФото: K. Amunts et al., Science (2013)
Исследователи из Германии и Канады опубликовали атлас человеческого мозга, который по степени детализации превосходит все прошлые аналоги. Ученые взяли мозг 64-летней женщины, нарезали слоями толщиной 20 микрометров, отсканировали каждый срез под микроскопом и собрали снимки в трехмерную модель. Результаты описаны в журнале Science и кратко пересказаны в Science Now.
Объем собранных учеными данных составляет около одного терабайта, а разрешение полученной трехмерной модели по каждому измерению в 50 раз превосходит трехмерные модели мозга, получаемые при помощи томографии. Исследователи сообщили, что успешная реконструкция объемного объекта по серии плоских срезов заставила их решить ряд задач, которые до сегодняшнего дня оставались непреодолимыми препятствиями, разрешить их удавалось только в отношении сравнительно небольших образов мышиного или крысиного мозга.
В частности, немало проблем доставила стандартная процедура приготовления анатомических образцов. Мозг 64-летней женщины без признаков неврологических заболеваний был извлечен при вскрытии, последовавшем через 13 часов после смерти. Далее его выдержали на протяжении пяти месяцев в формалине, а затем залили парафином. Блок парафина вместе с законсервированным мозгом положили в специальный аппарат, в котором острый нож снимал с поверхности стружку заданной толщины ровными слоями. Каждый снятый слой помещали на стекло и исследовали под микроскопом: эта известная всем специалистам-гистологам последовательность действий оказалась далеко не идеальной для последующей трехмерной реконструкции.
Как отмечают ученые, уже на этапе выдержки в формалине форма мозга нарушалась, а при нарезании слоями срезы растягивало и сжимало так, что наложить их друг на друга оказывалось затруднительно. Чтобы восстановить естественную форму мозга, его сразу после помещения в формалин отсканировали томографом, но и это было далеко не простой процедурой. В дополнительных материалах к своей статье нейробиологи отмечают, что содержащиеся в формалине растворенные газы образовывали пузырьки, прилипавшие к поверхности образца и портящие томограмму: формалин пришлось предварительно дегазировать. А чтобы во время пятимесячной выдержки в растворе мозг не деформировался, на основе томографической модели ученые изготовили специальный пластиковый контейнер по форме полости в черепной коробке. Во время резки мозг также фотографировали на обычную камеру и затем по этим изображениям восстанавливали форму срезов: если снятая стружка оказалась растянута, сжата или перекошена, фотография позволяла определить последовательность преобразований, ведущих к исходной форме.
Для устранения всех искажений, вносимых консервированием и резкой, пришлось разработать специальные алгоритмы, которые в итоге смогли даже успешно «пришивать» на место случайно оторванные и сдвинутые в сторону фрагменты среза. Учитывая то, что каждый срез был отснят с разрешением 10 микрометров на пиксель, автоматическое редактирование изображений оказалось весьма длительной операцией: ученые говорят, что коррекция каждого среза занимала несколько часов времени. После этого виртуальную стопку из 7404 срезов пришлось еще аккуратно и точно собрать в единое целое, а затем разработать алгоритмы, позволяющие рассматривать трехмерную модель объемом в один терабайт на более-менее обычных компьютерах. Ранее подобные модели делали для мышиного мозга, однако человеческий мозг представляет для медиков и ученых намного больший интерес: в частности, врачам точные атласы нужны для планирования операций по вживлению электродов.
На сайте университета Монреаля представлена модель, которую после регистрации (бесплатной) смогут изучать все желающие. Для того, чтобы оперировать большими объемами данных, разработан специальный алгоритм, отчасти напоминающий методы, положенные в основе Google Earth или гигапиксельных фотографий: загружается не вся картинка, а только рассматриваемый пользователем фрагмент. Атлас, охватывающий мозг целиком с ранее недоступным пространственным разрешением, пригодится как специалистам по фундаментальным исследованиям, так и нейрохирургам.
