Где и как в России исследуется коннектом человека

В человеческом мозге более 100 млрд. нейронов. Коннектом — это полное описание структуры связей в нервной системе организма. Они определяют поведение, с их помощью преобразуется вся информация из внутренней и внешней среды.

Исследования коннектома человека позволят сделать операции на мозге намного безопаснее и эффективнее: ликвидация патологического очага при эпилепсии или удаление опухоли будет запрограммирована и выполнена роботом. В первом случае патологические связи будут иссечены, во втором не будут затронуты необходимые проводники. Имплантаты, способные значительно расширить возможности памяти, усилить сенсорные и моторные способности, будут оптимально интегрированы благодаря информации об особенностях коннектома.

В России примерно 30 научных групп занимаются вопросами, имеющими прямое отношение к коннектому.

Так, группа Татьяны Строгановой в Центре нейро-когнитивных исследований Московского городского психолого-педагогического университета (МГППУ) работает на единственной в России установке для регистрации магнитоэнцефалограммы Neuromag с 306 сенсорами в комплексе с прибором регистрации движения глаз. Магнитоэнцефалография (МЭГ) — технология нейроимиджинга с высоким временным разрешением (порядка 1 мс). Интеграция МЭГ с изображениями мозга, полученными магнитно-резонансной томографией, позволяет локализовать источники нейрональной активности с точностью до 5 мм.

Первый коннектом

Разработана методология трехмерного картирования электрической активности мозга в пространстве и времени. Создана новая методика непараметрического анализа сигналов трехмерной ЭЭГ. Осуществлено картирование речевых зон коры мозга человека. МЭГ внедряется в диагностику нарушений функций мозга и их восстановление. Строганова исследует нейрофизиологические особенности базовых психических функций при аутизме.

С помощью МЭГ можно проводить исследования в области реабилитологии. Начаты исследования в области функциональной нейрохирургии, в частности, при лечении хронических болевых синдромов и последствий травм головного и спинного мозга. Также проводятся исследования в области диагностики и мониторинга нейродегенеративных заболеваний и цереброваскулярных поражений.

Финансирование осуществлено через Психологический институт им. Л.Г. Щукиной РАО.

Профессора Департамента анализа данных и искусственного интеллекта Высшей школы экономики Алексея Осадчего интересует алгоритмически-методическая сторона вопроса, а именно разработка методов анализа неинвазивных измерений активности головного мозга с целью обнаружения функциональных сетей.

"Мы начинали с анализа дискретных событий, таких как межсудорожные "спайки" (spikes). Они позволяют локализовать проблемную область коры головного мозга. Когда находится несколько таких зон, то анализ паттерна распространения спайков (читай выявление сети) позволяет обнаружить первичный очаг, рассечение которого избавляет человека от судорог. Был предложен метод анализа межсудорожных спайков, позволяющий восстановить индивидуальный "вероятностный коннектом эпилептической активности." Далее нам стало интересно посмотреть не на дискретные события (спайки), а на непрерывную активность, предшествующую судороге, и представить ее как суперпозицию активности сетей. Нам удалось и это, но на основании данных, записанных инвазивно при помощи электрокортикограммы. Сейчас мы работаем над алгоритмами, которые позволили бы представить неинвазивные данные как результат одновременной активности нескольких динамических сетей, и у нас уже есть первые обнадеживающие результаты", — рассказал Алексей Осадчий.

Работа ведется в сотрудничестве с Татьяной Строгановой и поддержана РФФИ грантом 14-02-00917, а также субсидией на господдержку ведущих университетов ("Проект 5-100").

Группа профессора Казанского федерального университета Рустема Хазипова подходит к проблеме коннектома с онтогенетической точки зрения и занимается исследованиями развития нейрональных сетей главным образом на животных моделях. "Мы сформулировали основные принципы работы мозга на ранних этапах развития, и эти принципы были транслированы на недоношенных новорожденных", — пояснил Рустем Нариманович. Доказано, что внутриутробная деятельность мозга человека проявляется в виде уникальных электрических паттернов, которые отображают сборку коннектома в процессе развития мозга.

Эти исследования финансируются Минобрнауки (грант ведущим ученым, 11. G34.31.0075), а также из средств программы повышения конкурентоспособности КФУ ("Проект 5-100").

В НИЦ "Курчатовский институт" группой Вадима Ушакова ведется развитие метода функциональной трактографии. В частности, проведена реконструкция функциональных различий в коннектоме мозга человека в состоянии покоя и при когнитивных нагрузках. Выполнено междисциплинарное исследование порождения произвольного действия. С помощью графового метода рассчитаны параметры крупномасштабных сетей и систематизированы в коннектомы, позволившие выявить управляемые и управляющие области головного мозга и исключить функциональные взаимодействия, не обоснованные структурными связями. Прямая польза исследований ожидается при создании интерфейсов мозг — компьютер.

Финансирование работ осуществляется по гранту РНФ N14-28-00234.

Мегапроекты

В Институте мозга человека им. Н.П. Бехтеревой (Санкт-Петербург) сформулирована гипотеза, что ложные действия обеспечиваются функциональным взаимодействием структур мозга, ответственных за исполнительный контроль поведения, локализующихся в области префронтальной коры, и элементами мозговой системы детекции ошибок. Для проверки гипотезы проведен анализ функциональных взаимодействий (PPI-анализ, то есть psycho-physiological interaction), в результате которого выявлено, что при ложных действиях наблюдается усиление функциональной связанности между хвостатым ядром и нижней лобной извилиной левого полушария. Полученные экспериментальные данные подтверждают предположение о том, что взаимодействие мозговых систем управления действиями и детекции ошибок лежит в основе мозгового обеспечения ложных действий. Эти научные разработки планируется использовать при лечении алкоголизма и различных психических заболеваний.

Работа ведется при поддержке РФФИ (грант N12-04-31586мол_а).

Практически все лаборатории Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН занимаются разными аспектами коннектома. На наноуровне это медиаторы, рецепторы, синапсы, без которых любой коннектом лишен смысла. Сейчас ученые увлечены протеинкиназой м-зетта и механизмами обеспечения ее функционирования. Эта макромолекула является серьезным претендентом называться "молекулой памяти". Лаборатория психофизиологии в тесном сотрудничестве с НИЦ "Курчатовский институт" работает на макроуровне. Одним из методов изучения "функционального коннектома" является выделение сетей состояния покоя (RSN — Resting State Networks).

"Наша группа одной из первых в России освоила этот метод. Мы создали алгоритм, который позволяет моделировать распространение двумерных волн потенциалов на сложной поверхности коры и рассчитывать результирующее поле на поверхности головы. Стало понятным, почему волновой процесс ограничивается небольшой площадью (не более нескольких квадратных сантиметров). Он организуется активностью RSN. Моделирование на основе ЭЭГ или МЭГ испытуемого позволит выявить эпицентры распространения возбуждения, которые являются возбуждающими входами в сеть. По входу с использованием "структурного коннектома" (диффузионный тензорный анализ МРТ) можно найти выходы от другой сети. В использовании последнего метода (DTI) нами сделаны первые шаги, и к концу года мы надеемся получить интересные результаты", — рассказал старший научный сотрудник Виталий Верхлютов.

Работа поддержана грантами РФФИ 13-04-01835, 15-29-01344, РНФ 14-28-00234.

Геннадий Князев, зав. лабораторией дифференциальной психофизиологии НИИ физиологии и фундаментальной медицины (Новосибирск) на основе ЭЭГ данных воспроизводил функциональные связи и корреляты так называемой дефолт-системы мозга.

"Нами на основе ЭЭГ данных показано связанное со старением изменение функциональных связей в мозгу. В 2015 году вышла статья, в которой описаны функциональные связи при решении моральных дилемм. Сейчас мы проводим исследование, поддержанное грантом РНФ, по изучению влияния депрессии и предрасположенности к депрессии на функциональные связи мозга", — пояснил Князев.

Кроме бюджетного финансирования, в НИИ ФФМ ученые в настоящее время имеют грант РФФИ N14-06-00039 и грант РНФ N14-15-00202.

9 июля 2014 года на заседании президиума Совета при Президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию России были обсуждены наиболее перспективные национальные научно-технологические инициативы (ННТИ). В список ННТИ вошли биомедицина, нейротехнологии, фотоника и квантовые технологии, а также развитие перспективных промышленных технологий. Специалистами Минобрнауки РФ готовится программа "Нейротехнология". Вероятно, в ней будут отражены ключевые национальные задачи исследования мозга человека. По состоянию на сентябрь 2015 года по программе "Нейротехнология" уже есть предварительное решение.

рис. 01 Схема исследования мозга на основе магнитно-резонансных изображений

Рис. 02 Исследуя коннектом

Рис. 03 Топография экстремумов сенсорных и моторных RSN относительно борозд мозга

Рис.04 Макроскопические сети при выполнении заданий