Коннектомика - Connectomics

Коннектомика это производство и изучение коннектомы: подробные карты связи в пределах организм с нервная система обычно это мозг или глаз. Поскольку эти структуры чрезвычайно сложны, методы в этой области используют высокая пропускная способность применение нейронной визуализации и гистологический методы для увеличения скорости, эффективности и разрешения карт множества нейронных связей в нервная система. Хотя в центре внимания такого проекта находится мозг, любые нейронные связи теоретически могут быть отображены с помощью коннектомики, включая, например, нервно-мышечные соединения.[1] Это исследование иногда называют его предыдущим названием годология.

инструменты

Одним из основных инструментов, используемых для исследования коннектомики на макроуровне, является диффузная МРТ.[2] Основным инструментом исследования коннектомики на микромасштабном уровне является химическая консервация мозга, за которой следует 3D. электронная микроскопия,[3] используется для реконструкция нейронной цепи. Корреляционная микроскопия, который сочетает в себе флуоресценцию с трехмерной электронной микроскопией, дает более интерпретируемые данные, поскольку он способен автоматически обнаруживать определенные типы нейронов и отслеживать их полностью с помощью флуоресцентных маркеров.[4]

Чтобы увидеть один из первых микроконнектомов в полном разрешении, посетите Открыть проект Connectome, на котором размещено несколько наборов данных коннектома, включая набор данных объемом 12 ТБ от Bock et al. (2011).

Модельные системы

Помимо человеческий мозг, некоторые из модельных систем, используемых для исследования коннектомики, являются мышь,[5] то плодовая муха,[6][7] то нематода C. elegans,[8][9] и Сипуха.[10]

Приложения

Сравнивая больные коннектомы и здоровые коннектомы, мы должны понять некоторые психопатологии, такие как невропатическая боль, и потенциальные методы лечения для них. Как правило, область нейробиология выиграют от стандартизации и необработанных данных. Например, карты коннектомов могут использоваться для информирования вычислительных моделей динамики всего мозга.[11] Современные нейронные сети в основном полагаются на вероятностные представления паттернов связности.[12] Коннекограммы (круговые диаграммы коннектомики) были использованы в травматическое повреждение мозга случаи, чтобы задокументировать степень повреждения нейронных сетей.[13][14]

Коннектом человека можно рассматривать как график, а также богатые инструменты, определения и алгоритмы Теория графов могут быть применены к этим графикам. Сравнивая коннектомы (или брейнграфы) здоровых женщин и мужчин, Szalkai et al.[15][16] показали, что по ряду глубоких теоретико-графических параметров структурный коннектом женщин значительно лучше связан, чем мужской. Например, женский коннектом имеет больше ребер, большую минимальную ширину двудольных частей, больше собственная щель, больший минимум крышка вершины чем у мужчин. Минимальная ширина разделения (или, другими словами, минимальная сбалансированная резать ) - известный показатель качества компьютера. многоступенчатые межсетевые связи, он описывает возможные узкие места в сетевой коммуникации: чем выше это значение, тем лучше сеть. Чем больше собственная щель, тем лучше женский коннектом. график расширителя чем коннектом самцов. Чем лучше свойство расширения, тем выше минимальная ширина разделения и тем больше минимальная ширина крышка вершины показать значительные преимущества в подключении к сети в случае женского брейнграфа.

Коннектомы человека имеют индивидуальную изменчивость, которую можно измерить с помощью кумулятивная функция распределения, как это было показано в.[17] Анализируя индивидуальную изменчивость коннектомов человека в разных областях мозга, было обнаружено, что лобная и лимбическая доли более консервативны, а края в височной и затылочной 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 разнообразны.

Сравнение с геномикой

В проект генома человека первоначально 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 нам следует хотя бы немного более оптимистично оценивать перспективы коннектомики.[18] Другие критиковали попытки создания коннектома на микроуровне, утверждая, что у нас недостаточно знаний о том, где искать инсайты, или что это невозможно завершить в реалистичные сроки.[19]

Игра Eyewire

Основные статьи: Eyewire и Себастьян Сунг

Eyewire это онлайн-игра, разработанная американским ученым Себастьян Сунг из Университет Принстона. Оно использует социальные вычисления чтобы помочь составить карту коннектома мозга. Он привлек более 130 000 игроков из более чем 100 стран.

Смотрите также

Рекомендации

  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:2015НатСР ... 517830Б. Дои:10.1038 / srep17830. ЧВК  4669476. PMID  26634293.
  2. ^ Wedeen, V.J .; Wang, R.P .; Schmahmann, J.D .; Беннер, Т .; Tseng, W.Y.I .; Dai, G .; Pandya, D.N .; Hagmann, P .; и другие. (2008). «Магнитно-резонансная томография диффузного спектра (DSI) трактография пересекающихся волокон». NeuroImage. 41 (4): 1267–77. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2008.03.036. PMID  18495497.
  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. ЧВК  3036568. PMID  21311605.
  4. ^ BV, DELMIC. «Нейробиология: синаптические связи в мозгу певчей птицы - Примечание по применению | DELMIC». request.delmic.com. Получено 2017-02-16.
  5. ^ Bock, Davi D .; 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 нейронов коры». Природа. 471 (7337): 177–82. Bibcode:2011Натура.471..177Б. Дои:10.1038 / природа09802. ЧВК  3095821. PMID  21390124.
  6. ^ Чкловский, Дмитрий Б; Виталадевуни, Шив; Схеффер, Луи К (2010). «Полуавтоматическая реконструкция нейронных цепей с помощью электронной микроскопии». Текущее мнение в нейробиологии. 20 (5): 667–75. Дои:10.1016 / j.conb.2010.08.002. PMID  20833533.
  7. ^ Чжэн, З. (2018). "Полный объем электронной микроскопии мозга взрослых Drosophila melanogaster". Клетка. 174 (3): 730–743. Дои:10.1016 / j.cell.2018.06.019. ЧВК  6063995. PMID  30033368.
  8. ^ Chen, B.L .; Холл, Д. Н .; Чкловский Д. Б. (2006). «Оптимизация проводки может связать структуру и функцию нейронов». Труды Национальной академии наук. 103 (12): 4723–8. Bibcode:2006PNAS..103.4723C. Дои:10.1073 / pnas.0506806103. ЧВК  1550972. PMID  16537428.
  9. ^ Perez-Escudero, A .; Ривера-Альба, М .; Де Полавьеха, Г. Г. (2009). «Структура отклонений от оптимальности в биологических системах». Труды Национальной академии наук. 106 (48): 20544–9. Bibcode:2009ПНАС..10620544П. Дои:10.1073 / pnas.0905336106. ЧВК  2777958. PMID  19918070.
  10. ^ Pena, JL; Дебелло, WM (2010). «Обработка слуха, пластика и обучение у сипухи». Журнал ILAR. 51 (4): 338–52. Дои:10.1093 / ilar.51.4.338. ЧВК  3102523. PMID  21131711.
  11. ^ http://www.scholarpedia.org/article/Connectome[ненадежный медицинский источник? ][постоянная мертвая ссылка ][самостоятельно опубликованный 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. Дои:10.1371 / journal.pcbi.1000456. ЧВК  2713426. PMID  19662159.
  13. ^ Ван Хорн, Джон Д .; Irimia, A .; Torgerson, C.M .; Chambers, M.C .; Kikinis, R .; Тога, А. (2012). «Картирование нарушений связи в случае Финеаса Гейджа». PLoS ONE. 7 (5): e37454. Bibcode:2012PLoSO ... 737454V. Дои:10.1371 / journal.pone.0037454. ЧВК  3353935. PMID  22616011.
  14. ^ Иримия, Андрей; Chambers, M.C .; Torgerson, C.M .; Filippou, M .; Hovda, D.A .; Alger, J.R .; Gerig, G .; Toga, A.W .; Vespa, PM; Kikinis, R .; Ван Хорн, Дж. Д. (6 февраля 2012 г.). «Индивидуальная визуализация коннектомики для оценки атрофии белого вещества при черепно-мозговой травме». Границы неврологии. 3: 10. Дои:10.3389 / fneur.2012.00010. ЧВК  3275792. PMID  22363313.
  15. ^ Салкаи, Балаж; 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. Дои:10.1371 / journal.pone.0130045. ЧВК  4488527. PMID  26132764.
  16. ^ Салкаи, Балаж; Варга, Балинт; Гролмуш, Винс (2017). «Теоретико-графические параметры с компенсацией смещения размера мозга также лучше в женских структурных коннектомах». Визуализация мозга и поведение. 12 (3): 663–673. Дои:10.1007 / s11682-017-9720-0. ISSN  1931-7565. PMID  28447246.
  17. ^ Керепеси, Чаба; Салкаи, Балаж; Варга, Балинт; Гролмуш, Винс (2018). «Сравнительная коннектомика: отображение межличностной изменчивости связей в областях человеческого мозга». Письма о неврологии. 662 (1): 17–21. arXiv:1507.00327. Дои:10.1016 / j.neulet.2017.10.003. PMID  28988973.
  18. ^ Lichtman, J; Санес, Дж. (2008). «Ом сладкий оме: что геном может рассказать нам о коннектоме?». Текущее мнение в нейробиологии. 18 (3): 346–53. Дои:10.1016 / j.conb.2008.08.010. ЧВК  2735215. PMID  18801435.
  19. ^ Вэнс, Эшли (27 декабря 2010 г.). «В поисках коннектома, ментальная карта, фрагмент за фрагментом». Нью-Йорк Таймс.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка