Следующий план представляет собой обзор и актуальное руководство по картированию мозга:
Картирование мозга - набор методов нейробиологии, основанный на отображении (биологических) величин или свойств на пространственные представления (человеческого или нечеловеческого) мозга, в результате чего создаются карты. Картирование мозга далее определяется как исследование анатомии и функции головного и спинного мозга с помощью визуализации (включая интраоперационную, микроскопическую, эндоскопическую и мультимодальную визуализацию), иммуногистохимии, молекулярной и оптогенетики, стволовых клеток и клеточных биология, инженерия (материалы, электрика и биомедицина), нейрофизиология и нанотехнологии.
Широкий охват
Доктрина нейронов
- Доктрина нейронов - набор тщательно продуманных элементарных наблюдений, касающихся нейронов. Для большей детализации, более актуальных и более сложных тем см. Раздел на уровне сотовой связи.
- Утверждает, что нейроны подпадают под более широкую клеточную теорию , которая постулирует:
- Все живые организмы состоят из одной или нескольких клеток.
- Клетка - это основная единица структуры, функции и организации всех организмов.
- Все клетки происходят из уже существующих живых клеток.
- Доктрина нейронов постулирует несколько элементарных аспектов нейронов:
- Мозг состоит из отдельных клеток (нейронов), которые содержат специальные функции, такие как дендриты , тело клетки и аксон .
- Нейроны - это клетки, которые можно дифференцировать от других тканей тела.
- Нейроны различаются по размеру, форме и структуре в зависимости от их местоположения или функциональной специализации.
- У каждого нейрона есть ядро, которое является трофическим центром клетки (той частью, которая должна иметь доступ к питанию). Если клетка разделена, выживет только та часть, которая содержит ядро.
- Нервные волокна являются результатом клеточных процессов и разрастаний нервных клеток. (Несколько аксонов связаны вместе, чтобы сформировать одно нервное волокно. См. Также: Нейрофиламент . Затем несколько нервных волокон образуют одно большое нервное волокно. Миелин , электрический изолятор, образуется вокруг выбранных аксонов.
- Нейроны образуются в результате деления клеток.
- Нейроны связаны между собой контактными площадками, а не через непрерывность цитоплазмы. ( Клеточная мембрана изолирует внутреннюю часть клетки от окружающей среды. Нейроны не взаимодействуют через прямой контакт цитоплазмы с цитоплазмой.)
- Закон динамической поляризации. Хотя аксон может проводить в обоих направлениях, в ткани существует предпочтительное направление передачи от клетки к клетке.
- Элементы, добавленные позже к первоначальной доктрине нейронов.
- В месте контакта между двумя нейронами существует барьер для передачи, который может разрешить передачу. (Синапс)
- Единство передачи. Если между двумя клетками происходит контакт, то этот контакт может быть либо возбуждающим, либо тормозящим , но всегда будет одного типа.
- Согласно закону Дейла, каждое нервное окончание высвобождает один тип нейромедиатора.
- Некоторые из основных постулатов доктрины нейронов были впоследствии подвергнуты сомнению, опровергнуты или обновлены. См клеточного уровня темы раздела для получения дополнительной информации.
Проекты карт, атласов и баз данных
- Проект карты активности мозга, 2013 г. Проект NIH стоимостью 3 миллиарда долларов по картированию каждого нейрона человеческого мозга за десять лет, основанный на проекте «Геном человека».
- Human Brain Project (ЕС) - 10-летний проект на 1 миллиард евро по моделированию человеческого мозга с помощью суперкомпьютеров.
- BigBrain Трехмерный атлас человеческого мозга высокого разрешения, созданный в рамках программы HBP.
- Human Connectome Project - 2009 Проект NIH стоимостью 30 миллионов долларов по построению сетевой карты человеческого мозга, включая структурные (анатомические) и функциональные элементы. Особое внимание уделялось исследованиям дислексии, аутизма, болезни Альцгеймера и шизофрении. См. Также Connectome - полную карту нейронных связей в головном мозге.
- Allen Brain Atlas 2003 Проект стоимостью 100 миллионов долларов, финансируемый Полом Алленом (Microsoft)
- ПОДКЛЮЧИТЬСЯ . Этот проект объединяет ведущее в мире сообщество диффузионных МРТ в ЕС, чтобы сосредоточиться на фундаментальных достижениях, имеющих ключевое значение для долгосрочной реализации микроструктуры и картирования связности живого человеческого мозга, а также на использовании этой информации медицинскими и нейробиологическими исследователями.
- База данных BrainMaps Национального института здоровья (NIH), включающая 60 терабайт сканированных изображений приматов и неприматов, интегрированная с информацией о структуре и функциях.
- NeuroNames Определяет мозг с точки зрения около 550 первичных структур (около 850 уникальных структур), с которыми связаны все другие структуры, имена и синонимы. Перекрестно проиндексировано около 15 000 нейроанатомических терминов, включая множество синонимов на семи языках. Охват включает головной и спинной мозг четырех видов, наиболее часто изучаемых нейробиологами: человека, макака (обезьяна), крысы и мыши. Контролируемый стандартизованный словарь для каждой структуры расположен в однозначной и строгой физической иерархии, и эти термины выбраны на основе легкости произношения, мнемонической ценности и частоты использования в последних нейробиологических публикациях. Включена связь каждой конструкции с ее надстройками и подструктурами. Управляемый словарь подходит для однозначного индексирования нейроанатомической информации в цифровых базах данных.
- Десятилетие мозга, 1990–1999 гг., Продвижение Национального института здравоохранения и Библиотеки Конгресса «с целью повышения осведомленности общественности о преимуществах, которые могут быть получены от исследований мозга» . Коммуникации были нацелены на членов Конгресса, штат сотрудников и широкую общественность с целью содействия финансированию.
- Талаирах Атлас см. Жан Талаирах
- Гарвардский атлас всего мозга см. Человеческий мозг
- Шаблон MNI см. Вычисление медицинских изображений
- Проект "Голубой мозг" и искусственный мозг
- Международный консорциум по картированию мозга см. Картирование мозга
- Список баз данных неврологии
- NIH Toolbox Набор инструментов Национального института здоровья (США) для оценки неврологической и поведенческой функции
- Организация по картированию мозга человека Организация по картированию мозга человека (OHBM) - международное сообщество, посвященное использованию нейровизуализации для обнаружения организации человеческого мозга.
Системы визуализации и записи
В этом разделе рассматриваются системы визуализации и записи. Общий раздел охватывает историю, нейровизуализацию и методы картирования определенных нейронных связей. Раздел конкретных систем охватывает различные конкретные технологии, включая экспериментальные и широко применяемые системы визуализации и записи.
Общий
- На сегодняшний день большая часть работ по визуализации отдельных нейронов проводилась вне мозга, обычно на крупных нейронах, и чаще всего была деструктивной. Однако быстро появляются новые методы. Выполните поиск по «Визуализации отдельного нейрона» и ознакомьтесь с соответствующими темами: модель биологического нейрона , единичная запись , нейронные колебания # модель одного нейрона , вычислительная нейробиология # моделирование одного нейрона . dMRI (см. выше) также перспективен для неразрушающей визуализации отдельных нейронов внутри мозга.
- История нейровизуализации (перенаправления со сканера мозга)
- Нейровизуализация (перенаправления с карты функций мозга)
- Коннектомика - метод картирования, показывающий нейронные связи в нервной системе.
Особые системы
- Картирование корковой стимуляции
- Диффузионная МРТ (dMRI) - включает диффузионную тензорную визуализацию (DTI) и диффузионную функциональную MRI (DfMRI) . dMRI - это недавний прорыв в картировании мозга, позволяющий визуализировать перекрестные связи между различными анатомическими частями мозга. Он позволяет неинвазивно визуализировать структуру волокон белого вещества и в дополнение к картированию может быть полезен при клинических наблюдениях за аномалиями, включая повреждения от инсульта.
- Электроэнцефалография (ЭЭГ) Использует электроды на коже черепа и другие методы для обнаружения электрического потока токов.
- Электрокортикография внутричерепной ЭЭГ, практика использования электродов, размещаемых непосредственно на открытой поверхности мозга, для регистрации электрической активности коры головного мозга.
- Электрофизиологические методы клинической диагностики
- Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ)
- Вычисление медицинских изображений (исследование мозга ведущих медицинских и хирургических специалистов, использующих картографические технологии)
- Нейростимуляция (в исследованиях стимуляция часто используется в сочетании с визуализацией)
- Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) - метод ядерной медицинской визуализации, позволяющий получить трехмерное изображение или картину функциональных процессов в организме. Система обнаруживает пары гамма-лучей, испускаемых косвенно позитронно-излучающим радионуклидом (трассером), который вводится в организм в виде биологически активной молекулы. Затем с помощью компьютерного анализа строятся трехмерные изображения концентрации индикаторов в организме. В современных сканерах трехмерное изображение часто достигается с помощью рентгеновской компьютерной томографии, выполняемой пациенту во время одного сеанса на одном и том же аппарате.
Компоненты изображения и записи
Электрохимический
- Гемодинамический ответ - быстрая доставка крови к активным нервным тканям. Сигнал, зависящий от уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ), соответствует концентрации дезоксигемоглобина. Эффект BOLD основан на том факте, что при повышении активности нейронов в одной части мозга также увеличивается приток церебральной крови к этой области. Функциональная магнитно-резонансная томография активируется при обнаружении ЖИРНОГО сигнала.
- Связанная с событием функциональная магнитно-резонансная томография может использоваться для обнаружения изменений гемодинамической реакции, зависящей от уровня кислорода в крови (ЖИРНЫЙ), на нервную активность в ответ на определенные события.
Электрические
- Связанные с событием потенциальные положительные и отрицательные отклики от 10 до 100 мкВ (μ - миллионные доли), измеренные с помощью неинвазивных электродов, прикрепленных к коже головы, которые являются надежными и воспроизводимыми результатами определенного сенсорного, когнитивного или моторного события. Их также называют стереотипным электрофизиологическим ответом на раздражитель. Их называют соматосенсорными вызванными потенциалами, когда они вызываются сенсорными (в отличие от когнитивных или моторных) событийных стимулов. Последовательности колебаний напряжения записываются и разбиваются на положительные и отрицательные, а также по тому, как долго после стимула они наблюдаются. Например, [N100] - это отрицательное колебание, наблюдаемое между 80 и 120 миллисекундами (100 - средняя точка) после начала действия стимула. В качестве альтернативы, колебания напряжения помечаются в зависимости от их порядка, N1 - первое наблюдаемое отрицательное колебание, N2 - второе отрицательное колебание и т. Д. См .: N100 (нейробиология) , N200 (нейробиология) , P300 (нейробиология) , N400 (нейробиология) , P600 (нейробиология) . Первые отрицательные и положительные колебания (см. Визуальные N1 , C1 и P1 (нейробиология) ) в ответ на визуальную стимуляцию представляют особый интерес для изучения чувствительности и избирательности внимания.
Электромагнитный
- Магнитоэнцефалография - метод картирования активности мозга путем регистрации магнитных полей, создаваемых электрическими токами, возникающими естественным образом в головном мозге, с использованием очень чувствительных магнитометров. В исследованиях основным назначением МЭГ является измерение динамики активности во времени. МЭГ может разрешать события с точностью до 10 миллисекунд или быстрее, в то время как функциональная МРТ (фМРТ), которая зависит от изменений кровотока, может в лучшем случае разрешать события с точностью до нескольких сотен миллисекунд. МЭГ также точно определяет источники в первичной слуховой, соматосенсорной и моторной областях. Для создания функциональных карт коры головного мозга человека во время более сложных когнитивных задач МЭГ чаще всего сочетается с фМРТ, поскольку эти методы дополняют друг друга. Нейрональные (МЭГ) и гемодинамические (фМРТ) данные не обязательно совпадают, несмотря на тесную взаимосвязь между потенциалами локального поля (LFP) и сигналами, зависящими от уровня оксигенации крови (BOLD).
Радиологический
- Позитрон-излучающий радионуклид (индикатор). См. Позитронно-эмиссионную томографию
- Альтансерин - соединение, которое связывается с рецептором серотонина. Когда он мечен изотопом фтор-18, он используется в качестве радиолиганда в исследованиях мозга с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Визуальная обработка и улучшение изображения
- Научная визуализация - междисциплинарная отрасль науки, в первую очередь связанная с визуализацией трехмерных явлений (включая медицинские, биологические и другие), где упор делается на реалистичную визуализацию объемов, поверхностей, источников освещения и т. Д., Возможно, с динамической визуализацией. (временная) составляющая. Это считается отраслью информатики, которая является подмножеством компьютерной графики. Картирование мозга является основным бенефициаром достижений в области научной визуализации.
- Обнаружение капли - область в компьютерном зрении. Капля - это область цифрового изображения, в которой некоторые свойства (например, яркость или цвет по сравнению с областями, окружающими эти области) постоянны или изменяются в пределах заданного диапазона значений; все точки в большом двоичном объекте можно считать в некотором смысле похожими друг на друга
Информационные технологии
- Определение числа кластеров в наборе данных Типичное применение - сокращение данных: поскольку увеличение временного разрешения экспериментов фМРТ обычно дает последовательности фМРТ, содержащие несколько сотен изображений, иногда необходимо вызвать извлечение признаков, чтобы уменьшить размерность изображения. пространство данных.
- Фракционная анизотропия - мера, часто используемая при диффузионной визуализации, где считается, что она отражает плотность волокон, диаметр аксонов и миелинизацию в белом веществе. FA является расширением концепции эксцентриситета конических сечений в трех измерениях, нормированных на единицу измерения. Анизотропия - это свойство быть зависимым от направления, в отличие от изотропии, которое подразумевает идентичные свойства во всех направлениях.
- Общая линейная модель - статистическая линейная модель. Его можно записать как Y = XB + U, где Y - матрица с серией многомерных измерений, X - матрица, которая может быть матрицей проекта, B - матрица, содержащая параметры, которые обычно должны оцениваться, а U - матрица содержащие ошибки или шум. Он часто используется при анализе множественных сканирований мозга в научных экспериментах, где Y содержит данные со сканеров мозга, X содержит переменные экспериментального плана и искажения. См. Также: статистическое параметрическое отображение
- Ресэмплинг (статистика) см. В разделе о перестановочных тестах. Непараметрические тесты перестановки используются в фМРТ.
Программные пакеты
- Анализ функциональных нейроизображений - среда с открытым исходным кодом для обработки и отображения функциональных данных МРТ.
- Cambridge Brain Analysis - репозиторий программного обеспечения, разработанный в Кембриджском университете для анализа функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ) в рамках Стандартной общественной лицензии GNU и работающий под Linux.
- Статистическое параметрическое картирование - статистический метод изучения различий в активности мозга, записанных во время функциональных экспериментов по нейровизуализации с использованием таких технологий нейровизуализации, как фМРТ или ПЭТ. Он также может относиться к конкретному программному обеспечению, созданному Департаментом нейробиологии визуализации Wellcome (часть Университетского колледжа Лондона) для проведения такого анализа.
- ITK-SNAP - интерактивное программное приложение, которое позволяет пользователям перемещаться по трехмерным медицинским изображениям, вручную определять интересующие анатомические области и выполнять автоматическую сегментацию изображений. Чаще всего он используется для работы с наборами данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) и компьютерной томографии (КТ).
- Будапешт Справочник Коннект сервер генерирует консенсус braingraphs с выбираемыми параметрами; графики могут быть загружены в аннотированном формате GraphML , а также могут быть немедленно просмотрены на сайте.
Ученые, ученые и исследователи
- Марк С. Коэн, нейробиолог, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Первопроходец в области функциональной визуализации мозга с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ).
- Андерс Дейл, нейробиолог и профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего. Он разработал программное обеспечение для анализа изображений мозга FreeSurfer, которое облегчает визуализацию функциональных областей сильно сложенной коры головного мозга.
- Пьер Флор-Анри продемонстрировал в исследовании эпилептического психоза, что шизофрения связана с левым, а маниакально-депрессивное состояние - с эпилепсией правого полушария.
- Анджела Д. Фридеричи, директор Института когнитивных исследований человека и мозга им. Макса Планка в Лейпциге, Германия, со специализацией в нейропсихологии и лингвистике.
- Карл Дж. Фристон Британский нейробиолог и авторитет в области визуализации мозга. Изобретатель статистического параметрического отображения
- Изабель Готье, нейробиолог и руководитель лаборатории объектного восприятия в Университете Вандербильта.
- Мэтью Ховард, III профессор нейрохирургии в Университете Айовы, известный вкладом в области картирования человеческого мозга с использованием внутричерепной электрофизиологии.
- Доктор Сурбхи Джайн, первая женщина-нейрохирург из штата Раджастан. Практикует онкологический центр Моффитта, Тампа, Флорида, и является мировым рекордсменом по количеству пациентов, пролеченных с помощью хирургии головного мозга под контролем картирования мозга.
- Гитте Моос Кнудсен Гитте Моос Кнудсен нейробиолог и клинический невролог, профессор университетской больницы Копенгагена.
- Кеннет Квонг, ученый из Гарвардского университета, известный своей работой в области фМРТ.
- Роберт Ливингстон (ученый) (9 октября 1918 - 26 апреля 2002) нейробиолог. В 1964 году Ливингстон основал кафедру нейробиологии, первую в своем роде в мире, в недавно построенном Калифорнийском университете в Сан-Диего. Его самое известное исследование было в области компьютерного картирования и визуализации человеческого мозга. Его интерес к мозгу также распространялся на вопросы познания, сознания, эмоций и духовности.
- Хелен С. Майберг - профессор неврологии и психиатрии в Университете Эмори. Специализация включает выявление аномальных функций мозга у пациентов с большой депрессией с помощью функциональной нейровизуализации.
- Герайнт Рис, руководитель факультета наук о мозге Лондонского университетского колледжа
- Сидарта Рибейро, нейробиолог и директор Института мозга Федерального университета Риу-Гранди-ду-Норти
- Перминдер Сачдев, нейропсихиатр, профессор Университета Нового Южного Уэльса и директор Центра здорового старения мозга
- Педро Антонио Вальдес-Соса, заместитель директора Кубинского центра нейробиологии, который он основал в 1990 году. Его специализация включает статистический анализ электрофизиологических измерений, нейровизуализацию (фМРТ, ЭЭГ и томография МЭГ), нелинейное динамическое моделирование функций мозга, включая программное обеспечение и электрофизиологическое оборудование. разработка. Член редакционных советов NeuroImage , Medicc, Audioology and Neurotology , PLosOne и Brain Connectivity.
- Роберт Тернер, директор Института когнитивных исследований человека и мозга им. Макса Планка в Лейпциге, Германия, со специализацией в физике мозга и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Ему приписывают создание дизайна катушек внутри каждого МРТ-сканера.
- Арно Виллринджер, директор Института когнитивных исследований человека и мозга им. Макса Планка в Лейпциге, Германия
Научно-исследовательские институты
- Лаборатория научно-исследовательской лаборатории нейровизуализации при кафедре неврологии Медицинской школы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. В лаборатории проводятся разнообразные исследования нормальной анатомии и функции мозга, развития, старения и болезней с помощью визуализации мозга.
- Отделение радиологии Центра медицинских наук Техасского университета - это второй по величине академический отдел радиологических наук в Соединенных Штатах. Департамент исторически был первой программой в Соединенных Штатах, которая учредила докторскую степень. программа для врачей-радиологов, известная как программа для выпускников Human Imaging. См. Также Stanford Radiology
Журналы
- Поведенческие науки и науки о мозге
- Наука о развитии
- Гены, мозг и поведение
- Картирование человеческого мозга (журнал)
- Журнал церебрального кровотока и метаболизма
- Журнал нейрохимии
- Журнал нейрофизиологии
- Журнал неврологии
- Природа Неврология
- NeuroImage
- Нейрон
- Тенденции в нейронауках
Смотрите также
- Очертание человеческого мозга
- Очерк нейробиологии
- Также категории
- Категория: Мозг
- Категория: Интерфейс мозг – компьютер
- Категория: Нейроны центральной нервной системы
- Категория: Человеческое поведение
- Категория: Обработка изображений
- Категория: Разум
- Категория: Нервная система
- Категория: Нейронная инженерия
- Категория: Нейробиология
- Категория: Журналы по нейровизуализации
- Категория: Нейроны
- Категория: Неврология
- Категория: Нейронное кодирование
- Категория: Нейровизуализация
- Категория: Нейроинформатика
- Категория: Исследовательские центры нейробиологии
- Категория: Политика науки - вопросы финансирования исследований мозга