Два разных алгоритма производят две очень разные оценки формы одной и той же связи белого вещества в мозгу Франко Пестилли. Программное обеспечение LiFE, разработанное в Wandell Lab, предназначено для получения более точных оценок.
Чтобы увидеть, подумать или почувствовать, 100 миллиардов нейронов в нашем мозгу должны обмениваться сообщениями. Они передаются через около 100 триллионов специализированных соединений, известных под общим названием "коннектом." Большинство соединений чрезвычайно короткие, они переносят информацию на несколько сотых тысячных дюйма между соседними нейронами. Но многие важные связи намного длиннее, протягиваясь от одного конца мозга до другого на 30 сантиметров.
Ученые из Стэнфордского университета разработали математическую и вычислительную технологию, которая позволяет исследователям более точно отображать большие и длинные связи в тканях белого вещества человеческого мозга. Методология называется LiFE, для линейной оценки пучков. Работа подробно описана в Интернете в Nature Methods.
Чтобы протестировать новый метод, ведущий автор Франко Пестилли проанализировал МРТ двух таких соединений в своем собственном мозгу. В одном анализе две структуры – дугообразный пучок, который участвует в чтении и речи, и кортикоспинальный тракт, который играет роль в координации движений, – казались короткими и довольно гладкими. В другом случае ребристые усики в трактах распространяются намного длиннее и шире.
"Раньше у ученых не было метода решить, какое из двух представлений человеческого мозга является правильным," сказал Пестилли, научный сотрудник лаборатории Брайана Ванделла, профессора психологии Стэнфордского университета. "В результате разные исследовательские группы, используя одни и те же данные, часто приходили к разным выводам. Новая технология обеспечивает математический анализ и программное обеспечение с открытым исходным кодом, чтобы решить, какая из двух оценок лучше."
Многие возможные изображения коннектома человека могут быть созданы с использованием доступной технологии отслеживания волокон. LiFE интерпретирует эти пути и использует их для моделирования синтетических сигналов МРТ. Можно оценить возможные коннектомы, чтобы найти тот, который генерирует синтетический сигнал, наиболее точно соответствующий фактическим данным.
"Мне нравится думать о каждом кандидате в коннектоме как о прототипе," Пестилли сказал. "Мы можем многому научиться, построив множество прототипов и найдя тот, который лучше всего представляет измеренный сигнал МРТ. Как только у нас будет этот оптимизированный прототип, мы сможем более точно изучить функцию фактических путей."
Национальный институт здоровья сделал картирование человеческого мозга важной научной задачей из-за его важности для прогнозирования здорового развития и критических функций мозга. Например, в серии статей, опубликованных на протяжении многих лет, лаборатория Ванделла показала, что свойства мозговых связей различаются между хорошими и плохими читателями, особенно в одном конкретном пути, дугообразном пучке.
"Мы можем гораздо более надежно идентифицировать дугообразный пучок у ребенка, который изо всех сил пытается прочитать и понять, может ли эта связь быть источником трудности," Ванделл сказал.
Понимание коннектома человека позволит уточнить фундаментальные принципы организации структуры и функции человеческого мозга. Это позволит нам понять механизмы, лежащие в основе некоторых из наиболее серьезных заболеваний, затрагивающих людей и общество. Например, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера и шизофрения считаются заболеваниями головного мозга, поражающими коннектом.
Общие усилия лаборатории Ванделла включают обмен данными и вычислительными методами с более широким научным сообществом. Эта работа, финансируемая за счет гранта Национального научного фонда, поддерживает эти усилия, предоставляя данные и полную реализацию метода через Стэнфордский цифровой репозиторий и GitHub.
"Мы надеемся, что другие исследователи воспользуются кодом и улучшат его," Пестилли сказал. "Обмен кодами и данными может стать очень важным вкладом в то, как мы пытаемся понять человеческий мозг."
Благодаря успеху проекта, начиная с января 2015 года, Пестилли откроет исследовательскую лабораторию в Университете Индианы в Блумингтоне.