Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 основной задачей такого проекта является мозг, любые нейронные связи теоретически могут быть отображены с помощью коннектомики, включая, например,нервно-мышечные соединения . [1] Иногда это исследование называют годологией .

Инструменты [ править ]

Одним из основных инструментов, используемых для исследования коннектомики на макроуровне, является диффузионная МРТ . [2] Основной инструмент для исследования connectomics на уровне микромасштабной является химическое сохранение мозга с последующим 3D электронной микроскопии , [3] используется для восстановления нейронной цепи . 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. [4]

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 [ править ]

Помимо человеческого мозга , некоторые из модельных систем , используемых для connectomics исследований являются мышь , [5] плодовой мушки , [6] [7] , что нематоды C. Элеганс , [8] [9] и сова амбара . [10]

Приложения [ править ]

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. [11] Современные нейронные сети в основном полагаются на вероятностные представления паттернов связности. [12] Коннекограммы (круговые диаграммы коннектомики) использовались в случаях черепно-мозговой травмы для документирования степени повреждения нейронных сетей. [13] [14]

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. [15] [16] 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 ) - хорошо известный показатель качества компьютера.многоступенчатые межсетевые соединения , 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). [17] Те могут быть найдены с помощью либо регулировать т-тест , [18] или модель разреженности, [17] с целью нахождения статистически значимых соединений , которые отличаются среди этих групп.

Коннектомы человека обладают индивидуальной изменчивостью, которую можно измерить с помощью кумулятивной функции распределения , как это было показано в [19]. Анализируя индивидуальную изменчивость 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 [ править ]

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. [20] Другие критиковали попытки создания коннектома на микромасштабах, утверждая, что у нас недостаточно знаний о том, где искать идеи, или что это не может быть завершено в реалистичные сроки. [21]

Игра Eyewire [ править ]

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.

См. Также [ править ]

  • Проект Human Connectome
  • Будапешт Справочный Коннектом
  • https://eyewire.org/explore

Ссылки [ править ]

  1. ^ Boonstra, Tjeerd W .; Данна-душ-Сантос, Алессандр; Хун-Бо, Се .; Рурдинк, Мелвин; Стинс, Джон Ф .; Брейкспир, Майкл (2015). «Мышечные сети: анализ связности ЭМГ-активности во время постурального контроля» . Научные отчеты . 5 : 17830. Bibcode : 2015NatSR ... 517830B . DOI : 10.1038 / srep17830 . PMC  4669476 . PMID  26634293 .
  2. ^ Wedeen, VJ; Ван, РП; Schmahmann, JD; Беннер, Т .; Ценг, WYI; Dai, G .; Пандья, DN; Hagmann, P .; и другие. (2008). «Магнитно-резонансная томография диффузного спектра (DSI) трактография пересекающихся волокон». NeuroImage . 41 (4): 1267–77. DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2008.03.036 . PMID 18495497 . S2CID 2660208 .  
  3. ^ Андерсон, младший; Джонс, Б.В.; Ватт, КБ; Шоу, М.В.; Ян, JH; Демилл, Д; Lauritzen, JS; Линь, У; и другие. (2011). «Изучение коннектома сетчатки» . Молекулярное зрение . 17 : 355–79. PMC 3036568 . PMID 21311605 .  
  4. ^ BV, DELMIC. «Нейробиология: синаптические связи в мозгу певчей птицы - Примечание по применению | DELMIC» . request.delmic.com . Проверено 16 февраля 2017 .
  5. ^ Бок, Дэви Д .; Ли, Вей-Чунг Аллен; Керлин, Аарон М .; Andermann, Mark L .; Худ, Грег; Ветцель, Артур В .; Юргенсон, Сергей; Суси, Эдвард Р .; и другие. (2011). «Сетевая анатомия и физиология in vivo зрительных корковых нейронов» . Природа . 471 (7337): 177–82. Bibcode : 2011Natur.471..177B . DOI : 10,1038 / природа09802 . PMC 3095821 . PMID 21390124 .  
  6. ^ Chklovskii, Д. В; Виталадевуни, Шив; Схеффер, Луи К (2010). «Полуавтоматическая реконструкция нейронных цепей с помощью электронной микроскопии». Текущее мнение в нейробиологии . 20 (5): 667–75. DOI : 10.1016 / j.conb.2010.08.002 . PMID 20833533 . S2CID 206950616 .  
  7. Перейти ↑ Zheng, Z (2018). "Полный объем электронной микроскопии мозга взрослых Drosophila melanogaster" . Cell . 174 (3): 730–743. DOI : 10.1016 / j.cell.2018.06.019 . PMC 6063995 . PMID 30033368 .  
  8. ^ Чен, BL; Холл, DH; Чкловский, ДБ (2006). «Оптимизация проводки может связать структуру и функцию нейронов» . Труды Национальной академии наук . 103 (12): 4723–8. Bibcode : 2006PNAS..103.4723C . DOI : 10.1073 / pnas.0506806103 . PMC 1550972 . PMID 16537428 .  
  9. ^ Перес-Эскудеро, А .; Ривера-Альба, М .; Де Полавьеха, GG (2009). «Структура отклонений от оптимальности в биологических системах» . Труды Национальной академии наук . 106 (48): 20544–9. Bibcode : 2009PNAS..10620544P . DOI : 10.1073 / pnas.0905336106 . PMC 2777958 . PMID 19918070 .  
  10. ^ Пена, JL; Дебелло, WM (2010). «Обработка слуха, пластика и обучение у сипухи» . Журнал ИЛАР . 51 (4): 338–52. DOI : 10.1093 / ilar.51.4.338 . PMC 3102523 . PMID 21131711 .  
  11. ^ http://www.scholarpedia.org/article/Connectome [ ненадежный медицинский источник? ] [ постоянная мертвая ссылка ] [ опубликованный самостоятельно источник? ]
  12. ^ Нордли, Эйлен; Гевалтиг, Марк-Оливер; Плессер, Ханс Эккехард (2009). Фристон, Карл Дж. (Ред.). «К воспроизводимым описаниям моделей нейронных сетей» . PLOS Вычислительная биология . 5 (8): e1000456. Bibcode : 2009PLSCB ... 5E0456N . DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1000456 . PMC 2713426 . PMID 19662159 .  
  13. ^ Ван Хорн, Джон Д .; Irimia, A .; Торгерсон, КМ; Chambers, MC; Kikinis, R .; Тога, А.В. (2012). «Картирование нарушений связи в случае Финеаса Гейджа» . PLOS ONE . 7 (5): e37454. Bibcode : 2012PLoSO ... 737454V . DOI : 10.1371 / journal.pone.0037454 . PMC 3353935 . PMID 22616011 .  
  14. ^ Irimia, Андрей; Chambers, MC; Торгерсон, КМ; Filippou, M .; Ховда Д.А.; Алджер, младший; Gerig, G .; Тога, AW; Vespa, PM; Kikinis, R .; Ван Хорн, Джей Ди (6 февраля 2012 г.). «Индивидуальная визуализация коннектомики для оценки атрофии белого вещества при черепно-мозговой травме» . Границы неврологии . 3 : 10. DOI : 10,3389 / fneur.2012.00010 . PMC 3275792 . PMID 22363313 .  
  15. ^ Szalkai Балаш; Варга, Балинт; Гролмуш, Винс (2015). «Теоретический анализ графов показывает: женский мозг связан лучше, чем мужской» . PLOS ONE . 10 (7): e0130045. arXiv : 1501.00727 . Bibcode : 2015PLoSO..1030045S . DOI : 10.1371 / journal.pone.0130045 . PMC 4488527 . PMID 26132764 .  
  16. ^ Szalkai, Балаж; Варга, Балинт; Гролмуш, Винс (2017). «Теоретико-графические параметры с компенсацией отклонения в размере мозга также лучше в женских структурных коннектомах». Визуализация мозга и поведение . 12 (3): 663–673. DOI : 10.1007 / s11682-017-9720-0 . ISSN 1931-7565 . PMID 28447246 . S2CID 4028467 .   
  17. ^ a b Крими, Алессандро; Джанкардо, Лука; Самбатаро, Фабио; Диего, Сона (2019). «Анализ MultiLink: сравнение мозговых сетей с помощью анализа разреженных подключений» . Научные отчеты . 9 (1): 1–13. Bibcode : 2019NatSR ... 9 ... 65C . DOI : 10.1038 / s41598-018-37300-4 . PMC 6329758 . PMID 30635604 .  
  18. ^ Залесский, Эндрю; Форнито, Алекс; Буллмор, Эдвард (2010). «Сетевая статистика: выявление различий в мозговых сетях». NeuroImage . 53 (4): 1197–1207. DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2010.06.041 . PMID 20600983 . S2CID 17760084 .  
  19. ^ Керепеси, Чаба; Салкаи, Балаж; Варга, Балинт; Гролмуш, Винс (2018). «Сравнительная коннектомика: отображение межличностной изменчивости связей в областях человеческого мозга». Письма неврологии . 662 (1): 17–21. arXiv : 1507.00327 . DOI : 10.1016 / j.neulet.2017.10.003 . PMID 28988973 . S2CID 378080 .  
  20. ^ Lichtman, J; Санес, Дж. (2008). «Ом сладкий оме: что геном может рассказать нам о коннектоме?» . Текущее мнение в нейробиологии . 18 (3): 346–53. DOI : 10.1016 / j.conb.2008.08.010 . PMC 2735215 . PMID 18801435 .  
  21. ↑ Вэнс, Эшли (27 декабря 2010 г.). «В поисках коннектома, ментальная карта, фрагмент за фрагментом» . Нью-Йорк Таймс .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Хагманн, Патрик; Каммун, Лейла; Жиганде, Ксавье; Меули, Рето; Мед, Кристофер Дж .; Wedeen, Van J .; Sporns, Олаф (2008). Фристон, Карл Дж. (Ред.). «Картирование структурного ядра коры головного мозга человека» . PLOS Биология . 6 (7): e159. DOI : 10.1371 / journal.pbio.0060159 . PMC  2443193 . PMID  18597554 . Выложите резюме .

Внешние ссылки [ править ]

  • План NIH для исследований в области нейробиологии
  • ТЭД беседа Sebastian Seung : «Я мой Коннект» .
  • braingraph.org: база данных из сотен брайнграфов, рассчитанных на основе данных Human Connectome Project.