Хуан Эугенио Эглесиас (Juan Eugenio Iglesias) из Массачусетского технологического института составил с коллегами гистологический атлас мозга взрослого человека. Он может помочь в автоматизированном анализе МРТ-сканов с высоким разрешением. Исследователи воспользовались алгоритмами машинного обучения, чтобы преобразовать около 10 тысяч гистологических срезов пяти целых полушарий мозга взрослых людей в трехмерные структуры и картировать в них 333 изучаемых области. Также они разработали дополнительный байесовский инструмент для автоматической сегментации МРТ на эти области. Детальное описание рабочего процесса опубликовано в журнале Nature.
В качестве примеров практического использования атласа авторы работы применили его для сегментации ex vivo МРТ-сканов со сверхвысоким разрешением и волюметрического анализа проявлений болезни Альцгеймера по снимкам in vivo. Исходные и упорядоченные данные, атлас NextBrain, инструменты для визуализации и сегментации, а также результаты сегментации ex vivo МРТ выложили в открытый доступ.
Продолжим обзор женщин-ученых, внесших значительный вклад в современную науку.
Следующая на очереди в моем личном шорт-листе - Мадлен Ланкастер - эволюционный биолог, специализирующийся на неврологическом развитии и заболеваниях головного мозга.
Сейчас Ланкастер важная птица - она руководит собственной лабораторией молекулярной биологии при Совете медицинских исследований в Кембридже, однако своё ключевое открытие, которое буквально перевернуло прикладную нейробиологию, она сделала, будучи всего лишь лаборанткой.
Окончив Калифорнийский университет в 2010 году, Мадлен переехала в Вену, чтобы начать работу в Институте молекулярной биологии. Её задача заключалась в культивировании стволовых клеток на специализированных питательных средах в лабораторных чашках Петри. И... Она не справилась!
У Мадлен возникли трудности с фиксацией клеток на субстрате: они постоянно "уплывали" к краям чашки, что мешало их нормальному делению и формированию биопленки — двумерных органоидов.
Не получается нормально, как у других - ищи свои методы! Чтобы решить эту проблему, Ланкастер начала экспериментировать с различными подложками, пытаясь найти оптимальный способ стабилизации клеточных культур. Она создала несколько вариантов подложек с использованием разных питательных сред на основе коллагена, агара, фибрина и гидрогелей, обогащённых факторами роста.
В отличие от стандартной практики, когда питательная среда наносится тонким слоем на дно чашки, Мадлен не стала мелочиться: она щедро наполняла чашки Петри питательным раствором.
А чтобы предотвратить миграцию клеток к краям, она вводила их прямо в толщу среды, близко к поверхности, используя шприц. Предполагалось, что после деления клетки поднимутся вверх по оставшемуся следу от иглы и начнут делиться в плоскости, формируя нужную биопленку, никуда не уплывая.
Через некоторое время стало ясно, что в отдельных чашках клетки начали прорастать внутрь среды, создавая объёмные органоиды
Девушка доложила о результатах руководителю и получила зеленый свет на дальнейшие эксперименты.
Тут Мадлен развернулась. Одним из ключевых нововведений стала замена эмбриональных стволовых клеток на индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), также известных как клетки Яманаки. В последующих опытах Ланкастер обнаружила, что ИПСК в достаточно жидких насыщенных кислородом средах не просто прорастают в объемные органоиды, а самоорганизуются в сложные структуры, напоминающие разные регионы мозга, такие как кора головного мозга, гиппокамп и даже глазные чашки.
И не нужно самим пытаться собрать сложные структуры. Просто дайте клеткам условия, близкие к натуральным и не мешайте!
Уже к 2013 году, создаваемые Ланкастер органоиды обладали удивительной функциональностью, близкой к настоящей нервной ткани: они формировали нейроны, создавали синаптические связи и даже взаимодействовали между собой примитивными электрическими сигналами. Такие органоиды могли существовать и развиваться в течение многих месяцев, позволяя проводить долговременные наблюдения и эксперименты, ранее невозможные с традиционными плоскостными моделями.
Такие мозги даже получалось обучать подавая на них определенные электрические сигналы!
Образование таких сложных структур мозга, по сути из клеток кожи позволило качественно продвинуться в методиках исследования мозга: дало возможность вживую наблюдать развитие мозга, моделировать заболевания и изучать на месте их воздействие на разные типы тканей мозга, а так же сразу тестировать на них лекарственные препараты.
Открытие Ланкастер стало важным шагом вперёд в области неврологии и заложило основу для новых подходов к исследованию мозга.
Такое поведение запускают возбуждающие нейроны в соединяющем ядре таламуса
Мышь, пережившая травму в детстве, сильнее реагирует на механическую стимуляцию
Исследователи из США обнаружили, что нейроны соединяющего ядра таламуса (nucleus reuniens) в мозге мышей управляют агрессивным и самоповреждающим поведением. Стимуляция этих нейронов или детская травма в прошлом усиливали агрессию и аутоагрессию и повышали чувствительность к боли. А ингибирование активности этих нейронов у мышей с детской травмой, напротив, снижало и то, и другое. Чтобы вызвать агрессию, нейроны таламуса передавали сигнал в гиппокамп, а оттуда — в гипоталамус. Для самоповреждения был другой путь — через гиппокамп в миндалевидное тело. Результаты исследования опубликованы в Science Advances.
Повышенная агрессия и аутоагрессия нередко сопровождают друг друга: некоторые исследования показывают, что люди, которые получали медицинскую помощь в связи с самоповреждением, зачастую более склонны к агрессии и чаще совершают насильственные преступления. Такое поведение нередко связано и с детской травмой — например, разлукой с матерью или другим основным опекуном в раннем детстве — или перенесенным насилием. Тем не менее, нейронные механизмы, лежащие в основе агрессии и аутоагрессии, не ясны.
Исследования показывают, что активность кальциевых каналов L-типа (LTCC) в нейронах мозга связана с агрессивным поведением и с психическими расстройствами. Когда мышам вводят вещества, активирующие LTCC, они начинают себя кусать, а в нескольких областях их мозга активируются нейроны, связанные с эмоциональной регуляцией. Пациенты с психическими расстройствами реже прибегают к самоповреждению и реже оказываются госпитализированы, если им вводят ингибиторы LTCC. А блокаторы кальциевых каналов, проникающие в мозг, снижают риск возникновения этих расстройств.
Ученые из Института биомедицинских исследований Фралина во главе с Джейн Юнг (Jane Jung) предположили, что неблагоприятные события в раннем возрасте усиливают агрессию и самоповреждение именно через изменение работы кальциевых каналов в мозге или в отдельных его частях. Чтобы это проверить, а также определить механизмы, ответственные за развитие агрессии и аутоагрессии, они провели серию экспериментов на мышах с детской травмой и без нее. Грызуны без травмы становились агрессивнее, когда им под кожу вводили агонист LTCC (вещество Bay K). Повышалась и их чувствительность к боли — мыши сильнее одергивали лапу, когда ее стимулировали с помощью нитей фон Фрея или горячей пластины. Начиная с восьми миллиграммов Bay K на килограмм массы тела мыши начинали кусать себя и не прекращали это делать, даже если им предлагали другие предметы для кусания и еду или предоставляли сородичей, с которыми можно повзаимодействовать. Однако если до введения Bay K мышам вводили препараты, уменьшающие боль, например, карпрофен или габапентин, аутоагрессия значительно снижалась.
Исследователи также обнаружили, что самоповреждающее и агрессивное поведение вызывает избирательная активация LTCC в глутаматергических возбуждающих нейронах в соединяющем ядре таламуса, но не в других областях мозга. Агрессия и аутоагрессия усиливались, когда Bay K вводили непосредственно в область соединяющего ядра, и снижались, когда в ту же область вводили антагонисты LTCC.
Чтобы изучить влияние детской травмы на активность LTCC и агрессию, ученые вырастили группу мышей, которых на третий день после рождения отлучили от матери на сутки. Повзрослев, такие грызуны были агрессивнее мышей из контрольной группы еще до введения Bay K, а аутоагрессию провоцировали вдвое меньшие дозы. Глутаматергические нейроны соединяющего ядра таламуса у травмированных мышей во время социальных контактов активировались не так, как у контрольных. У мышей без травмы наблюдался резкий пик активности этих нейронов во время первого социального контакта с незнакомцем, а затем активность подавлялась. Нейроны травмированных мышей, напротив, слабо активировались при первой встрече, однако во время дальнейших социальных действий их активность возрастала и оставалась высокой еще какое-то время.
Далее ученые визуализировали синаптические мишени глутаматергических нейронов соединяющего ядра. Часть из них проецировалась в область вентрального гиппокампа, а часть — в медиальную префронтальную кору. Однако агрессия и самоповреждение усиливались только после стимуляции нейронов, проецирующихся в гиппокамп. Из гиппокампа сигналы отправлялись в гипоталамус и в миндалевидное тело. Первый путь влиял на агрессию, а второй — на чувствительность к боли и аутоагрессию.
Авторы пришли к выводу, что травматический опыт в детстве изменяет активность кальциевых каналов L-типа в возбуждающих нейронах соединяющего ядра таламуса, и эти нейроны отправляют сигнал в гипоталамус и миндалевидное тело, что приводит к усилению агрессии и самоповреждения. Они предположили, что этот эффект связан с повышением чувствительности к боли: и агрессия, и аутоагрессия могут быть неадаптивной реакцией на нее.
Детские травмы не только приводят к поведенческим нарушениям во взрослом возрасте, но и повышают риск развития депрессии и психических расстройств. А еще ученые выяснили, что люди, пережившие травмирующий опыт в детстве, получают больше удовольствия от морфина.
Нидерландские ученые с помощью магнитно-резонансной томографии описали изменения, происходящие в головном мозге беременной во второй раз женщины. Основными находками стали изменение объема серого и связности белого вещества, а также функциональной организации нейронных центров. Например, исследователи обнаружили различия в активности сети пассивного режима работы мозга и лобно-теменной сети, но больше всего отличалась активность дорсальной сети внимания и соматомоторной сети. Результаты анализа опубликованы в Nature Communications.
Известно, что беременность сопровождается серьезными физиологическими и нейроэндокринными изменениями, которые влияют на все основные системы организма. Например, исследования на животных указывают на связь между репродуктивным опытом и нейроанатомическими изменениями в мозге, причем различия находили у грызунов с разным количеством родов. Так, морфология дендритов гиппокампа, нейрогенез и уровни белков различались у первородящих самок грызунов и тех, у которых уже было потомство.
Ранее исследовательская группа под руководством Элселин Хукземы (Elseline Hoekzema) из Амстердамского университета описала изменения, происходящие в головном мозге женщины во время первой беременности. Главным выводом тогда стало то, что беременность влияет на объем вещества головного мозга и функциональную активность нейронных сетей, аналогичные результаты воспроизводились и в других исследованиях. Теперь ученые решили проверить, происходят ли аналогичные изменения в мозге при последующих беременностях.
Для этого они провели проспективное когортное исследование с участием матерей, рожавших в первый или второй раз, и нерожавших женщин для контрольной группы. Оценка изменений происходила с помощью мультимодальной магнитно-резонансной томографии. Всего в исследование включили 30 женщин во время второй беременности, 40 женщин, забеременевших впервые, и 40 нерожавших женщин контрольной группы.
Скорректированные анализы показали, что во время второй беременности происходит значительное уменьшение объема коры головного мозга по сравнению с контрольной группой. Хотя эти наблюдения аналогичны структурным изменениям при первой беременности, вторая беременность по-разному повлияла на структуру серого вещества. В частности, ученые обнаружили, что областями мозга, которые особо затрагиваются как первой, так и второй беременностью, стали сеть пассивного режима работы мозга, за которой следовали лобно-теменная и вентральная сети внимания. Однако изменения функциональной активности наблюдалось изолированно в соматомоторной и дорсальной сети внимания только во время второй беременности.
Более того, ученые обнаружили связь между наблюдаемыми перестройками мозга и перинатальной депрессией: менее выраженные изменения были связаны с большим количеством депрессивных симптомов, причем во время второй беременности наблюдалась более выраженная корреляция между изменением объема вещества мозга и депрессией. Также исследование показало изменение структурной активности белого вещества центральной нервной системы и особенно в верхнем продольном пучке и кортико-спинальном пути во время первой и второй беременности. Ученые обнаружили, что во время второй беременности в головном мозге женщины значительно повышается общий уровень креатина (p < 0,0001).
Несмотря на сходства изменений головного мозга, которые происходят у женщин во время первой и второй беременностей, ученые разработали модель, которая позволяет классифицировать их число исключительно на основании трансформаций в структуре их мозга. Более того, они, по-видимому, имеют прямое клиническое проявление в виде поведенческих паттернов и расстройств настроения. Эти результаты дают более глубокое понимание физиологии беременности и ее влияния на организм женщины.
Примечательно, что мозг меняется после рождения ребенка не только у женщин, но и у мужчин. Недавно мы рассказывали, что количество детей положительно связано с функциональной связностью структур головного мозга как у матерей, так и у отцов.
Исследование показывает влияние экранов на когнитивное развитие младших школьников.
Исследование , охватывающее 23 года и включающее более 30 000 детей до 12 лет, показывает значительное влияние просмотра телевизора и игр на компьютере на функции их мозга. Эти выводы представлены в обзоре нейровизуализационных исследований, опубликованном в журнале "Early Education and Development". Учёные обнаружили изменения в префронтальной коре, отвечающей за рабочую память и способность гибко реагировать на ситуации, а также в других областях мозга, связанных с восприятием и обработкой информации.
Профессор Х.Ли из Гонконгского университета образования подчеркивает важность учета цифрового опыта детей в их когнитивном развитии. Он призывает политиков помогать родителям управлять цифровым взаимодействием детей, продвигая программы, которые способствуют положительному развитию мозга.
Исследование показывает, что ранний цифровой опыт значительно влияет на формирование мозга детей и их функционирование, что может иметь как положительные, так и отрицательные последствия. Например, выявлены негативные эффекты просмотра экранов на внимание, исполнительные функции и когнитивные процессы. Однако некоторые исследования также показали положительное влияние цифровых технологий на способности к концентрации и обучению.
Авторы исследования призывают к разработке и реализации политик, основанных на эмпирических данных, для защиты и улучшения развития мозга детей в цифровую эпоху. Они предлагают ресурсы и стимулы для создания и оценки цифровых вмешательств, направленных на укрепление роста мозга у детей.
В заключение, авторы исследования призывают политиков разработать и реализовать научно обоснованные меры для поддержки учителей и родителей в эпоху цифровых технологий. Также они подчеркивают необходимость дальнейших исследований для более глубокого понимания влияния экранов на мозговые функции.
Комментарии