Коннектом и коннектопатии (коннектомопатии)
В последние годы нейрофизиологи увлеченно работают над амбициозным проектом - «расшифровка» коннектома - анализ сетевой структуры [изучения связей между различными участками] головного мозга.
Наряду с проверкой гипотезы о том, что индивидуальность человека определяется его коннектомом с точки зрения коннектомики активно проводится оценка различных неврологических заболеваний (коннектопатий), включая инсульт, черепно-мозговую травму, болезни Альцгеймера или Паркинсона. Использование техники мультимодального нейроимиджинга позволило выявить у пациентов нарушения структурных и функциональных связей (патологические изменения в мозге редко ограничиваются единичным локусом; как правило, распространяясь по аксональным связям, они оказывают влияние и на другие регионы мозга; паттерны такого распространения патологических изменений обусловлены исключительно сложной, но в высшей степени организованной цитоархитектоникой мозга, лежащей в основе коннектома).
Коннектомом - [по аналогии с геномом, совокупностью генетической информации в клетке] это полная карта анатомических и функциональных [межнейрональных] связей нервной системы организма, в т.ч. с учетом глии, которая в значительной степени определяет и регулирует эти связи на разных уровнях, в частности на уровне субклеточных доменов синаптических взаимодействий (наряду с сетевым уровнем правильное понимание эффективности связей мозга человека на синаптическом уровне - ключевой фактор для представления о том, как функционирует мозг). Коннектомика - область нейронаук, предметом изучения которой является коннектом.
Стоит отметить, что коннектом - это динамическая структура, т.е. он включает в себя как структурные связи (представленные, например, белым веществом головного мозга), так и функциональные сети, организующиеся в рамках выполнения определенной задачи или спонтанно в покое, при этом и те и другие подвержены изменениям. Большой научно-практический интерес представляют собой функциональные сети, обладающие малой вариативностью внутри популяции. К ним относятся, например, т.н. сети покоя - RSNs (resting state networks), включая сеть по умолчанию - DMN (default mode network). Активность данных сетей у человека в состоянии расслабленного бодрствования или в промежутках между выполнением заданий можно зарегистрировать с помощью функциональной МРТ, ЭЭГ и магнитоэнцефалографии.
Обратите внимание! Коннектом человека должен обеспечить детальное картирование связей мозга, принципиально важное для понимания функционирования мозга как в норме, так и при патологии. При этом необходимо ассоциировать нейронные сети и динамику их изменений с функцией.
На сегодняшний день коннектом человека, включающий в себя ≈100 миллиардов нервных клеток и в ≈ 10 000 раз больше соединений, не расшифрован. Однако имеется ограниченный пока пул исследований, посвященных изучению определенных сетей внутри коннектома человека в норме и при патологии (например, при болезни Альцгеймера, шизофрении, инсульте и т.д.). В перспективе практическая ценность таких исследований заключается в разработке принципиально новых диагностических и прогностических методов, не говоря о значимости для фундаментальной науки.
Таким образом, важна концепция функциональной значимости не столько тех или иных церебральных структур, сколько их связей. Весьма показательно выглядят результаты сравнительного анализа объема белого вещества головного мозга [обеспечивающего связь с некоторыми участками головного мозга] у животных и человека. У таких мелких млекопитающих, как, например, мышь, он составляет 11% от общего объема головного мозга, у макак - 27%, у шимпанзе - 40%, у человека - 41%. Причем в эволюционном плане при увеличении объема головного мозга происходит увеличение объема белого вещества и объема серого вещества, однако степень этого увеличения для белого вещества носит более значительный характер (увеличение объема белого вещества - в кубической зависимости, серого - лишь в квадратной).
Происхождение и употребление термина «коннектом» берет начало в 2005 году, когда Олаф Спорнс в Университете Индианы и Патрик Хагманн из университетской больницы Лозанны независимо друг от друга предложили термин «коннектом» для обозначения схемы нейронных связей в мозге. Этот термин не случайно созвучен (как было указано выше) понятию «геном» - так авторы хотели подчеркнуть параллель между генетическим кодом, определяющим биологическую уникальность индивидуума, и коннектомом, характеризующим особенности личности. В 2009 году Национальный институт здоровья США запустил специальный проект - «Коннектом человека», в котором сегодня участвуют уже ученые многих стран (многоцентровая международная Программа по созданию коннектома человека [англ.: Human Connectome Project, www.humanconnectome.org]). Sebastian Seung, известный американский ученый, профессор компьютерной нейробиологии Массачусетского технологического института, рассказывает о самых последних результатах, полученных на пути изучения коннектома человека, и о том, зачем нам это все нужно:
смотреть выступление Sebastian Seung (Я - это мой коннектом) [источник: www.ted.com];
перейти на сайт www.humanconnectome.org
Нейронные сети, формирующие коннектом, определяются несколькими нижележащими сетевыми уровнями, при этом именно состояние и взаимодействие этих уровней обусловливает состояние и функционирование коннектома, а также его динамические изменения. Клеточный уровень определяется числом, локализацией и составом глиальных клеток и их взаимодействием с нейронами. Кроме того, основываясь на понятии нейроваскулярной единицы, нельзя исключить влияния сосудистого компонента на состояние нервных сетей. Иными словами, все клеточные элементы мозга вносят свой вклад в состояние коннектома - связей между нейронами. Число нейронов регулируется процессами гибели нейронов (естественными в норме и патологически усиленными при нейродегенеративных заболеваниях) и нейроногенеза (пролиферации нейрональных предшественников, дифференцировки в нейроны, миграции к участкам встраивания в нейронные сети и собственно встраиванием в сети и функционированием в их составе). Состояние нейронов и их возможность функционировать в составе сети критически определяется состоянием синапсов, обеспечивающих синаптическую пластичность. Синаптическая пластичность, формально оцениваемая на субклеточном уровне, неотделима как от клеточного, так и от молекулярного уровней. Функционирование клеточного и субклеточного уровней основано на комплексе локальных молекулярных событий, происходящих в мозге. Наиболее значимые для работы коннектома молекулярные системы формируют локальные сети, которые на уровне целого мозга формируют глобальные мозговые молекулярные сети. Примером являются медиаторные системы, сети которых в мозге определяются топографическим распространением и локализацией нейронов соответствующей эргичности в составе нейронных сетей. В качестве важных для развития церебральных патологий и коморбидностей молекулярных систем можно привести систему провоспалительных и противовоспалительных медиаторов (про- и антивоспалительных цитокинов и их рецепторов) и систему нейротрофических факторов (в том числе белков семейства нейротрофинов и их рецепторов). Сложность понимания формирования сетей на разных уровнях и оценки взаимовлияния этих уровней усугубляется тем, что между компонентами одного уровня и между разными уровнями существуют многочисленные прямые и обратные связи. Именно они способствуют гибкой регуляции всех систем, обеспечивая пластичность мозга в целом, коннектома и каждого из их компонентов.
Подробнее о коннектоме в следующих источниках:
статья «Пластичность мозга и коннектопатии: механизмы коморбидности неврологических заболеваний и депрессии» Н.В. Гуляева; ФГБНУ «Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии» РАН, Москва; ГБУЗ «Научно-практический психоневрологический центр им. З.П. Соловьева» ДЗМ, Москва (Журнал неврологии и психиатрии, №11, 2016) [читать];
статья «Особенности структурной и функциональной организации головного мозга» И.В. Дамулин, ФГБОУ ВО «Первый московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России, Москва (Журнал неврологии и психиатрии, №11, 2016) [читать];
статья «Системная психоневрология - теоретические и практические аспекты новой парадигмы» И.В. Дамулин, ФГБОУ ВО «Первый московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России, Москва (журнал «Неврологический вестник» №3, 2017) [читать];
статья «Системная психоневрология: перенесённый инсульт и факторы, влияющие на восстановление» Дамулин И.В., ФГАОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова» МЗ РФ, Москва (Неврологический журнал, №5, 2017) [читать];
статья «Коннектомика: нейрофизиология, достижения и перспективы» Н.Н. Лебедева, Л.А. Майорова, Е.Д. Каримова, Е.А. Казимирова; ФГБНУ «Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН», Москва (журнал «Успехи физиоло-гических наук» №3, 2015) [читать];
статья «Функциональный коннектом: сети покоя (resting state networks) при некоторых неврологических и психиатрических состояниях» Н.Н. Лебедева, Л.А. Майорова, И.С. Самотаева; ФГБНУ «Институт высшей нервной деятельности и нейро-физиологии» РАН, Москва; ГБУЗ «Научно-практический центр психоневрологии» ДЗМ, Москва (журнал «Успехи физиоло-гических наук» №3, 2017) [читать]
ознакомительного фрагмент книги «Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть» Себастьян Сеунг, изд. «Лаборатория знаний», 2012 [читать]