2013年の初めにHabrahabrで、10年間に設計された10億ユーロ以上の予算で人間の脳を研究するためのヨーロッパのメガプロジェクトの立ち上げの発表後、対応するメモが発行されました。 昨年の終わりに、プロジェクトが正式に開始され、最初の資金が割り当てられましたが、これまでのところ、人間のゲノムと有人ミッションの解読と意義と規模が匹敵する、今後のタイタニック研究の基礎にある科学的根拠について一言も書かれていません火星へ。
投稿の最後に、The Blue Brain Projectのチームで直接作業している人に質問することもできます。回答は別の投稿で公開されます。
序文の代わりに
そのため、メガプロジェクト全体は12のサブプロジェクトに分割されており、別々に実装されているようです（たとえば、1つの生物学で高負荷コンピューティングをクロスコネクトする方法はありますが）。 各プロジェクトについての長く退屈な話に飽き飽きしません。 これを行うために、 The Human Brain Projectの公式Youtubeチャンネルに短いビデオがあります（HBP、追加情報はプロジェクトの公式ウェブサイトにあります ）。 このビデオには、プロジェクトの一般的な目標と目的が示されています。
私の意見では、基本的で基本的な、したがって最も重要なサブプロジェクトの1つは、ニューロンの構造、それらの接触、および脳内のニューラルネットワークの場所（サブプロジェクト1-マウス脳サブプロジェクト）の直接研究、およびその後のモデルの構築のためのそのようなネットワークの可視化です、実際、この知識の実装は既にハードウェア、コンピューティングにあります。
歴史の瞬間から始めましょう。 神経細胞、 ニューロンなどの発見の正確な日付は、おそらく、与えられません。 19世紀の終わりまでに、神経組織の機能について十分な知識が蓄積されたため、1906年にゴルジとラモンイカハルは、神経系の構造と神経細胞の分類に関する研究でノーベル医学賞を共有したと確信できます。
過去数百年にわたり、神経組織の機能の基本原理を理解してきましたが、神経組織で発生するプロセスに比較的原始的なレベルで介入することさえ学びました（たとえば、鎮痛や神経組織に直接影響する操作）が、これまで、脳の具体的な保存方法ニューロンによる具体的な処理方法に関する情報が変換されます。
神経組織のどこで、どこに信号が送られているかを調べる方法は？
神経細胞が異なっていること、神経組織でさまざまな方法で接続されていること、異なる機能を実行していることなどの詳細を省略すると、ニューロンの構造の一般的な特徴を強調することができます：
ニューロンモデル。 出所
信号伝達の基礎は軸索であり、電気ケーブルのように、ニューロンからニューロンへと伸び、インパルスを伝達するために必要です。 理論的には、彼らは巨大な長さに達することができます-メートルまで。 軸索はシナプスを使用して別のニューロンに接続されますが、各軸索の最後には神経伝達物質を含むシナプス小胞があります。
2つのニューロン間のパルス伝送。 出所
したがって、まず第一に、軸索自体と次の神経細胞への軸索の付着場所の2つのことに興味があります。これは、神経伝達物質を含むシナプス小胞によって決定できます。 このために、蛍光光学顕微鏡法と電子顕微鏡法の2つの方法しかありません。
論理的な質問を予想して、なぜ私はMRI（ 磁気共鳴画像法 ）と機能的MRIを考慮していないのか、これらの方法は特定の機能（聴覚、視覚など）に関与する領域を特定するために使用されますが、個々のニューロンとそのネットワーク。
さらに、最初のサブプロジェクトについて話します-マウスの脳の研究ですが、人の研究ではありません（残念なことに、倫理的な理由が心に勝ります）。 2番目のサブプロジェクトは、MRIの使用専用です。 したがって、貧しいマウスの脳の研究により、脳の微細構造に関する情報が得られ、科学者はその後、MRIデータとの接続を試みます。
しかし、戻ってきます。 最初の場合-蛍光顕微鏡の場合-蛍光色素を使用してニューロンを染色し、色素が特定の波長の光（多くの場合UV）で励起されたときにサンプルの写真を取得する必要がありますが、この方法の解像度では、たとえば軸索自体のみ、または樹状突起のみが表示されますそれらが異なる色でどのように塗られるかですが、一般的に、ニューロンがどのように相互作用するかを非常に困難に決定することができます。
いくつかの例：
新しいマイルストーンは、蛍光3D顕微鏡検査です。 ロシア語の詳細
ここに神経細胞の場合の蛍光顕微鏡検査の仕組みに関する英語のビデオがあります 。 残念ながら、埋め込みプレーヤーはありませんので、リンクをたどってください...
別の方法は電子顕微鏡法で、その解像度はスキャンの場合は数ナノメートル、透過の場合はナノメートルの一部です。 ただし、これらの方法は、表面分析（スキャン）または最大100 nm（透過）の薄いサンプルのいずれかに適しています。 行き詰まっているようですね。
障害は、ほとんどの部分のすべての組織（脳またはその他）が3つの主要な要素で構成されているという事実によってさらに悪化します：炭素、窒素、酸素、つまり軽元素。 世界で最も高度な電子顕微鏡でさえ、軽元素間のコントラストを与えません。さらに、混合され、均一に分散されます。 これは物理的に不可能です。
どのくらいの時間、簡単に...しかし、科学者はこのtrapから抜け出す方法を見つけました。 どんな情報を抽出したいですか？ 実際、組織内の細胞膜の位置を知る必要があります。それから、細胞自体とその「内側」の位置を「復元」できます。 また、重金属の塩を使用して膜を「着色」する方法が見つかりました。 たとえば、オスミウム化合物-OsO 4-は細胞膜に非常によく堆積するか、一般的に呼ばれるように濃縮されることが判明しました。
実際には、事は小さいです-視覚化する。 長い間、非常に薄いサンプルを必要とする透過型電子顕微鏡のみが使用されていたため、エンジニアは組織から30-50 nmまでの層を切断できる超低温ミクロトームの開発を促しました。 透過顕微鏡法は、多くの世代の科学者が脳切片を研究することを可能にし、細胞の内部構造に関する知識を与え、インプラントの生体耐性を研究するために使用されましたが、今日、この方法は、3D再構成を備えた別の走査電子顕微鏡法に置き換えられました。
ニューロパイルの TEM顕微鏡写真-神経細胞のプロセスの蓄積（11,000倍の増加）。 出所
3D顕微鏡検査：新機能
いいね 何らかの方法で、神経細胞のこのカオスで（そして、これは本当にカオスです。なぜなら、組織内のニューロン自体と並んで多くの補助細胞があるため）、個々のニューロンの接合点を特定することができましたが、ニューラルネットワークを構築する観点からは、これは実際には役に立たない情報です三次元空間内の細胞の位置を見る能力、つまり、三次元組織に関する情報は私たちから隠されています。 そしてここで、コンピュータの計算能力と顕微鏡の処理電子機器の開発のおかげで、ここ数年で初めて可能になった三次元顕微鏡法というユニークな方法が見つかりました。
EPFL Center for Electron Microscopyは、脳組織のサンプル調製とその分析の完全なサイクルとその後の3D再構成を組み合わせたアプローチをうまく適用しました。 このビデオは、実験の主な段階を示しています。
サンプルを固定し、水を特殊な樹脂で置き換えた結果（ビデオでは1:30）：a。 厚さ80ミクロンのマウスの脳の切片、bc。 関心領域3x3 mmの切り抜きと固定、df。 ミクロトームを使用した最終処理。
集束イオンビームFIB / SEMを使用した走査型電子顕微鏡の動作原理（ビデオでは4:00）：ab。 組織の一部を切断するFIBビームと画像を提供する電子ビームの概略配置cd。 処理された組織のSEM顕微鏡写真。
a。 FIB / SEM（ビデオの5:55）およびbcを使用した視覚化。 最終結果（ビデオでは8:00）
この方法の主な利点は、電子ビーム画像（SEM）を取得するために、集束イオンビーム（FIB）とそれに続くスキャンで脳組織層の5 nmのみを「切断」することです。 したがって、神経組織の構造を正確に研究する機会がありますが、より重要なことは、多くの場合、再構築の精度を提供する特別な画像分析アルゴリズムの使用により、そのようなスタック（最大2000画像）を処理するプロセスを人間の介入なしに実質的に自動的に実行できることです顕微鏡の専門家より低くありません。
Marco Cantoniのグループは、この種の分析用に特別に開発されたフリーウェアプログラムilastikを使用しました 。 プロジェクトはgithubに独自の駐在員事務所を持っているため、Habrの尊敬される読者の一部がプロジェクトに参加したり、新しいアイデアを提供したりすることが興味深い場合、開発者が拒否することはないと思います。
最終的に、数十ミクロンのエッジを持つキューブの形の脳の3Dマップがあります（はい、多くはありませんが、モスクワもすぐには建てられませんでした）が、絶望してあきらめません。 ニューラルネットワーク全体ではなく、個々のニューロンを3Dで正確に視覚化し、主な目標に一歩近づきました。 これは、壮大なプロジェクトの著者によって考案されたように、組織の原則と脳の働きをよりよく理解するのに役立ちます。
SEM顕微鏡写真および総観的接触およびマウス脳ニューロン内のすべての膜の3D再構成。 スケールA-1ミクロン、画像Aに挿入-5ミクロン。
PS：過去10年間の電子顕微鏡によるブレークスルーを振り返って理解すると、このプロジェクトの一部として開発されたものを含む自動化システムにより、5〜7年でより大きなデータセットを処理できるようになります。それは小さい人のためだけに残っています-私たちの脳の3Dマップまたは「私たちが考えていることを考えるデバイス」（アンブローズビアス）を作成するためだけです。
準備では、オープンソースの材料が使用されました： 1、2、3
時々あなたは簡単に読むことができ、時には私のTelegramチャンネルの科学技術のニュースについてそれほど多くは読みません-私たちはあなたに尋ねます;）