Схема картирования мозга

Следующий план представляет собой обзор и актуальное руководство по картированию мозга:

Картирование мозга - набор нейробиологических методов, основанных на отображении (биологических) величин или свойств на пространственные представления мозга (человеческого или нечеловеческого) с образованием карт. Картирование мозга далее определяется как исследование анатомии и функций головного и спинного мозга с использованием визуализации (включая интраоперационную, микроскопическую, эндоскопическую и мультимодальную визуализацию), иммуногистохимии, молекулярной и оптогенетики, стволовых клеток и клеточных методов. биология, инженерия (материальная, электрическая и биомедицинская), нейрофизиология и нанотехнологии.

Широкая сфера применения

Нейронная доктрина

Доктрина нейронов - набор тщательно построенных элементарных наблюдений за нейронами. Более подробную информацию, более актуальные и сложные темы см. «Уровень сотовой связи» . в разделе
Утверждает, что нейроны подпадают под более широкую клеточную теорию , которая постулирует:
- Все живые организмы состоят из одной или нескольких клеток.
- Клетка является основной единицей структуры, функции и организации всех организмов.
- Все клетки происходят из ранее существовавших живых клеток.
Доктрина нейронов постулирует несколько элементарных аспектов нейронов:
- Мозг состоит из отдельных клеток (нейронов), которые содержат специализированные функции, такие как дендриты , тело клетки и аксон .
- Нейроны – это клетки, отличающиеся от других тканей организма.
- Нейроны различаются по размеру, форме и структуре в зависимости от их местоположения или функциональной специализации.
- Каждый нейрон имеет ядро, которое является трофическим центром клетки (той частью, которая должна иметь доступ к питанию). Если клетка разделена, выживет только часть, содержащая ядро.
- Нервные волокна являются результатом клеточных отростков и выростов нервных клеток. (Несколько аксонов соединяются вместе, образуя одно нервное волокно. См. также: Нейрофиламент . Несколько нервных фибрилл затем образуют одно большое нервное волокно. Вокруг выбранных аксонов образуется миелин , электрический изолятор.
- Нейроны образуются в результате деления клеток.
- Нейроны связаны местами контакта, а не цитоплазматической непрерывностью. ( Клеточная мембрана изолирует внутреннюю часть клетки от окружающей среды. Нейроны не общаются посредством прямого контакта цитоплазмы с цитоплазмой.)
- Закон динамической поляризации. Хотя аксон может проводить передачу в обоих направлениях, в тканях существует предпочтительное направление передачи от клетки к клетке.
Элементы, добавленные позже к первоначальной доктрине нейрона
- В месте контакта двух нейронов существует барьер для передачи, который может обеспечить передачу. (Синапс)
- Единство передачи. Если между двумя клетками осуществляется контакт, то этот контакт может быть как возбуждающим , так и тормозящим , но всегда будет однотипным.
- Согласно закону Дейла, каждое нервное окончание выделяет один тип нейромедиатора.
Некоторые из основных постулатов доктрины Нейрона впоследствии подвергались сомнению, опровержению или обновлению. см. в разделах раздела «Уровень сотовой связи» . Дополнительные сведения

Проекты карт, атласов и баз данных

Проект «Карта мозговой активности» — проект НИЗ 2013 года стоимостью 3 миллиарда долларов по картированию каждого нейрона человеческого мозга за десять лет на основе проекта «Геном человека».

Исследования мозга NIH посредством инициативы по развитию инновационных нейротехнологий (BRAIN) [1]
Сайт по работе с сообществом, указанный выше, где общественность может оставить комментарии [2]

Проект человеческого мозга (ЕС) – 10-летний проект стоимостью 1 миллиард евро по моделированию человеческого мозга с помощью суперкомпьютеров.

BigBrain 3D-атлас человеческого мозга высокого разрешения, созданный в рамках HBP.

Проект Human Connectome - NIH, 2009 г., проект стоимостью 30 миллионов долларов по созданию сетевой карты человеческого мозга, включая структурные (анатомические) и функциональные элементы. Особое внимание уделялось исследованиям дислексии, аутизма, болезни Альцгеймера и шизофрении. См. также Connectome a, полную карту нейронных связей в мозге.
Атлас мозга Аллена - проект стоимостью 100 миллионов долларов, 2003 г., финансируемый Полом Алленом (Microsoft).
BrainMaps - база данных Национального института здравоохранения (NIH), включающая 60 терабайт сканированных изображений приматов и не-приматов, интегрированная с информацией, охватывающей структуру и функции.
NeuroNames – определяет мозг на основе примерно 550 первичных структур (около 850 уникальных структур), с которыми связаны все остальные структуры, имена и синонимы. Перекрестно индексировано около 15 000 нейроанатомических терминов, включая множество синонимов на семи языках. Охват включает головной и спинной мозг четырех видов, наиболее часто изучаемых нейробиологами: человека, макаки (обезьяны), крысы и мыши. Контролируемый стандартизированный словарь для каждой структуры расположен в однозначной, строгой физической иерархии, и эти термины выбираются на основе простоты произношения, мнемонической ценности и частоты использования в последних нейробиологических публикациях. Включена связь каждой структуры с ее надстройками и подструктурами. Контролируемый словарь подходит для уникальной индексации нейроанатомической информации в цифровых базах данных.
Продвижение «Десятилетия мозга» 1990–1999 годов со стороны НИЗ и Библиотеки Конгресса «для повышения осведомленности общественности о пользе, которую можно получить от исследований мозга». Коммуникации были нацелены на членов Конгресса, сотрудников и широкую общественность с целью стимулирования финансирования.
Атлас Талайраха см. Жан Талайрах
Гарвардский атлас всего мозга см. Человеческий мозг
Шаблон MNI см. Вычисление медицинских изображений.
Проект Blue Brain и искусственный мозг
Международный консорциум по картированию мозга см. «Картирование мозга».
Список баз данных нейробиологии
NIH Toolbox Набор инструментов Национального института здравоохранения (США) для оценки неврологических и поведенческих функций
Организация по картированию человеческого мозга Организация по картированию человеческого мозга (OHBM) — это международное общество, занимающееся использованием нейровизуализации для открытия организации человеческого мозга.

Системы визуализации и записи

В этом разделе рассматриваются системы визуализации и записи. Общий раздел посвящен истории, нейровизуализации и методам картирования конкретных нейронных связей. В разделе «Специальные системы» рассматриваются различные конкретные технологии, включая экспериментальные и широко используемые 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 разрушительной. Однако новые технологии быстро появляются. Выполните поиск по запросу «Визуализация одиночного нейрона» и просмотрите связанные темы: Модель биологического нейрона , Единичная запись , Нейронные колебания , Вычислительная нейробиология . ДМРТ (вверху) также перспективна для неразрушающей визуализации отдельных нейронов внутри мозга.
История нейровизуализации (перенаправление со сканера мозга)
Нейровизуализация (перенаправление с карты функций мозга)
Коннектомика – метод картирования нейронных связей в нервной системе.

Конкретные системы

Картирование корковой стимуляции
Диффузионная МРТ (дМРТ) – включает диффузионно-тензорную визуализацию (ДТИ) и диффузионно-функциональную МРТ (ДфМРТ) . ДМРТ — 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 в результате инсульта.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) – использует электроды на коже головы и другие методы для обнаружения электрического потока токов.
Электрокортикография – внутричерепная ЭЭГ, практика использования электродов, помещаемых непосредственно на открытую поверхность мозга, для регистрации электрической активности коры головного мозга.
Электрофизиологические методы клинической диагностики
Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ)
Вычисление медицинских изображений (исследование головного мозга потенциальных медицинских и хирургических применений картографических технологий)
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 опосредованно позитронно-излучающим радионуклидом (трассером), который вводится в организм на биологически активной молекуле. 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 и того же сеанса на одном и том же аппарате.

Компоненты обработки изображений и записи

Электрохимический

Гемодинамический ответ – быстрая доставка крови к активным тканям нейронов. Сигнал, зависящий от уровня оксигенации крови (жирный шрифт), соответствует концентрации дезоксигемоглобина. Эффект BOLD основан на том факте, что когда активность нейронов увеличивается в одной части мозга, увеличивается и приток церебральной крови к этой области. Функциональная магнитно-резонансная томография активируется при обнаружении ЖИРНОГО сигнала.
Функциональная магнитно-резонансная томография, связанная с событиями, может использоваться для обнаружения изменений в гемодинамическом ответе, зависящем от уровня кислорода в крови (ЖИРНЫЙ), на активность нейронов в ответ на определенные события.

Электрический

Потенциал, связанный с событием – положительные и отрицательные реакции от 10 до 100 мкВ (μ — миллионные доли), измеряемые с помощью неинвазивных электродов, прикрепленных к коже головы, которые являются надежными и повторяемыми результатами определенного конкретного сенсорного, когнитивного или двигательного события. Их также называют стереотипной электрофизиологической реакцией на раздражитель. Их называют соматосенсорными вызванными потенциалами , когда они вызываются сенсорными (а не когнитивными или моторными) стимулами. Последовательности колебаний напряжения записываются и разбиваются на положительные и отрицательные, а также в зависимости от того, как долго после стимула они наблюдаются. Например, [N100] — это отрицательное колебание, наблюдаемое между 80 и 120 миллисекундами (100 — средняя точка) после начала стимула. Альтернативно, колебания напряжения маркируются в соответствии с их порядком: N1 — первое наблюдаемое отрицательное колебание, N2 — второе отрицательное колебание и т. д. См.: N100 (нейронаука) , N200 (нейронаука) , P300 (нейронаука) , N400 (нейронаука) , P600 (неврология) . Первые отрицательные и положительные колебания (см. Зрительные N1 , C1 и P1 (неврология) ) в ответ на зрительную стимуляцию представляют особый интерес при изучении чувствительности и избирательности внимания.

Электромагнитный

Магнитоэнцефалография - метод картирования активности мозга путем записи магнитных полей, создаваемых электрическими токами, естественным образом возникающими в мозге, с использованием очень чувствительных магнитометров. В исследованиях основное применение МЭГ - измерение временных колебаний активности. МЭГ может распознавать события с точностью до 10 миллисекунд или быстрее, тогда как функциональная МРТ (фМРТ), которая зависит от изменений кровотока, в лучшем случае может распознавать события с точностью до нескольких сотен миллисекунд. МЭГ также точно определяет источники в первичных слуховых, соматосенсорных и двигательных областях. Для создания функциональных карт коры головного мозга человека при выполнении более сложных когнитивных задач МЭГ чаще всего комбинируют с фМРТ, поскольку 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 (ЖИРНЫЙ шрифт).

радиологический

Позитронно-излучающий радионуклид (индикатор). См. Позитронно-эмиссионную томографию.
Альтансерин – соединение, которое связывается с рецептором серотонина. Когда он помечен изотопом фтора-18, он используется в качестве радиолиганда при исследованиях мозга позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Визуальная обработка и улучшение изображения

Научная визуализация — междисциплинарная отрасль науки, занимающаяся в первую очередь визуализацией трехмерных явлений (в том числе медицинских, биологических и других), где упор делается на реалистичную визуализацию объемов, поверхностей, источников освещения и т. д., возможно, с динамическая (временная) составляющая. Это отрасль информатики, которая является разновидностью компьютерной графики. Картирование мозга является ведущим бенефициаром достижений в области научной визуализации.
Обнаружение пятен — область компьютерного зрения. 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 блобе можно считать в некотором смысле похожими друг на друга

Информационные технологии

Определение количества кластеров в наборе данных . Типичным применением является сокращение данных: поскольку увеличение временного разрешения экспериментов с фМРТ обычно приводит к получению последовательностей фМРТ, содержащих несколько сотен изображений, иногда необходимо вызвать извлечение признаков, чтобы уменьшить размерность пространство данных.
Фракционная анизотропия – показатель, часто используемый в диффузионной визуализации, где считается, что он отражает плотность волокон, диаметр аксонов и миелинизацию в белом веществе. FA является расширением концепции эксцентриситета конических сечений в трех измерениях, нормированных на единичный диапазон. Анизотропия — это свойство зависимости от направления, в отличие от изотропии, которая предполагает одинаковые 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 проектирования, B — матрица, содержащая параметры, которые обычно подлежат оценке, 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 плана эксперимента и факторы, влияющие на результат. См. также: статистическое параметрическое картирование.
Повторная выборка (статистика) см. раздел о тестах перестановки. Непараметрические тесты перестановок используются в фМРТ.

Пакеты программного обеспечения

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) под лицензией GNU General Public License и работающий под Linux.
Статистическое параметрическое картирование – статистический метод изучения различий в активности мозга, зарегистрированных во время экспериментов по функциональной нейровизуализации с использованием таких технологий нейровизуализации, как фМРТ или ПЭТ. Это также может относиться к определенному программному обеспечению, созданному Департаментом нейровизуализации 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).
Будапештский сервер Reference Connectome генерирует согласованные мозговые диаграммы с выбираемыми параметрами; графики можно загрузить в аннотированном формате GraphML , а также мгновенно просмотреть на сайте.

Ученые, академики и исследователи

Марк С. Коэн, нейробиолог, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Один из пионеров функциональной визуализации мозга с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Нейробиолог Андерс Дейл и профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего. Он разработал программное обеспечение для анализа изображений мозга FreeSurfer , которое облегчает визуализацию функциональных областей сильно изогнутой коры головного мозга.
Пьер Флор-Анри в исследовании эпилептического психоза продемонстрировал, что шизофрения относится к левополушарным эпилепсиям, а маниакально-депрессивные состояния относятся к правополушарной эпилепсии.
Анжела Д. Фридеричи, директор Института когнитивных способностей человека и наук о мозге Макса Планка в Лейпциге, Германия, со специализацией в области нейропсихологии и лингвистики.
Карл Дж. Фристон, британский нейробиолог, авторитетный специалист в области визуализации мозга. Изобретатель статистического параметрического картографирования.
Изабель Готье, нейробиолог и руководитель лаборатории восприятия объектов в Университете Вандербильта
Мэтью Ховард, III профессор нейрохирургии в Университете Айовы, известный своим вкладом в область картирования мозга человека с использованием внутричерепной электрофизиологии.
Доктор Сурбхи Джайн, первая женщина-нейрохирург из штата Раджастан. Практикует в Онкологическом центре Моффита, Тампа, Флорида, и является мировым рекордсменом по количеству пациентов, пролеченных с помощью операций на головном мозге под контролем картирования мозга.
Гитте Моос Кнудсен Гитте Моос Кнудсен нейробиолог и клинический невролог, профессор Университетской больницы Копенгагена.
Кеннет Квонг, учёный из Гарвардского университета, известный своими работами в области фМРТ.
Роберт Ливингстон (ученый) (9 октября 1918 - 26 апреля 2002) нейробиолог. В 1964 году Ливингстон основал первый в своем роде факультет нейробиологии в недавно построенном Калифорнийском университете в Сан-Диего. Его самые известные исследования были посвящены компьютерному картированию и визуализации человеческого мозга. Его интерес к мозгу также распространялся на вопросы познания, сознания, эмоций и духовности.
Хелен С. Майберг – профессор неврологии и психиатрии Университета Эмори. Специализация включает определение аномальной функции мозга у пациентов с большой депрессией с использованием функциональной нейровизуализации.
Герайнт Рис, руководитель факультета наук о мозге Университетского колледжа Лондона
Сидарта Рибейру, 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 Вице-директор Кубинского центра нейронаук, соучредителем которого он является в 1990 году. Его специализация включает статистический анализ электрофизиологических измерений, нейровизуализацию (фМРТ, ЭЭГ и МЭГ-томография), нелинейное динамическое моделирование функций мозга, включая программное обеспечение и электрофизиологическое оборудование. разработка. Член редакционного совета журналов NeuroImage , Medicc, Audioology and Neurotology, PLosOne и Brain Connectivity.
Роберт Тернер, директор Института когнитивных способностей человека и наук о мозге Макса Планка в Лейпциге, Германия, со специализацией в области физики мозга и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Ему приписывают создание конструкции катушек, находящихся внутри каждого МРТ-сканера.
Арно Виллрингер, директор Института когнитивных способностей человека и мозга Макса Планка в Лейпциге, Германия

Журналы

См. также

См. также категории

Примечания и ссылки