Конектом: відмінності між версіями

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Інтерактивний перегляд історії
(Переглянути усі неперевірені зміни)
[перевірена версія][очікує на перевірку]
← Попереднє редагуванняНаступне редагування →
Вилучено вміст Додано вміст
ВізуальнийВікірозмітка
+Зображення +Див. також +Дослідження +Методи вивчення +Застосування
Рядок 1: Рядок 1:
[[Файл:Tractography animated lateral view.gif|альт=Трактографія — це техніка тривимірного моделювання, яка використовується для візуального представлення нервових шляхів за допомогою даних, зібраних за допомогою дифузійної МРТ.|міні|Трактографія людського мозку]]
'''Конекто́м'''&nbsp;— це повний опис структури зв'язків у нервовій системі організму<ref>Sporns O, Tononi G, Kötter R (2005) The human connectome: A structural description of the human brain. PLoS Computational Biology 1, e42.</ref><ref>Hagmann P (2005) From diffusion MRI to brain connectomics [PhD Thesis]. Lausanne: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). 127 p.</ref>. Галузь досліджень, яка включає в себе картографування та аналіз архітектури міжнейрональних зв'язків, називається конектоміка.
[[Файл:Mapping-Human-Whole-Brain-Structural-Networks-with-Diffusion-MRI-pone.0000597.s005.ogv|міні|Картографування нейронних мереж мозку на основі [[Дифузійна МРТ|дифузійної МРТ]]]]
[[Файл:Mapping-Human-Whole-Brain-Structural-Networks-with-Diffusion-MRI-pone.0000597.s007.ogv|міні|Зв'язки між різними візуальними областями у візуальній вистемі на основі дифузійної МРТ]]
'''Конекто́м'''&nbsp;— це повна мапа і опис структури зв'язків у [[Нервова система|нервовій системі]] [[Організм|організму]].
[[Файл:White Matter Connections Obtained with MRI Tractography.png|альт=Тракти білої речовини в мозку людини, візуалізовані МРТ-трактографією|міні|Тракти білої речовини в мозку людини, візуалізовані МРТ-трактографією]]
Нервова система організму складається з [[Нейрон|нейронів]], які спілкуються через [[Синапс|синапси]]. Коннектом створюється шляхом відстеження нейрональної активності в нервовій системі та картографування, де нейрони з’єднані через синапси.

Галузь досліджень '''конектоміка''' включає в себе [[картографування]] та [[аналіз]] архітектури міжнейрональних зв'язків. Картографуючи коннектом, вчені сподіваються розгадати механізми, що лежать в основі [[сприйняття]], [[пізнання]], [[Емоція|емоцій]] і [[Поведінка|поведінки]], а також надати нове розуміння патофізіології [[Неврологічний розлад|неврологічних]] і [[Психічний розлад|психічних]] розладів.


== Мережеве відображення зв'язків у мозку людини ==
== Мережеве відображення зв'язків у мозку людини ==
Рядок 5: Рядок 12:


Назва «конектом» була запропонована у 2005 році, незалежно один від одного, двома дослідниками Олафом Спорнсом та Патріком Хеґменном, за аналогією з терміном «гено́м».
Назва «конектом» була запропонована у 2005 році, незалежно один від одного, двома дослідниками Олафом Спорнсом та Патріком Хеґменном, за аналогією з терміном «гено́м».

== Дослідження коннектома ==
Дослідження коннектома було в центрі уваги багатьох [[Нейронаука|нейронаукових]] дисциплін. Одна з головних цілей дослідження коннектомів — зрозуміти, як нейронні зв’язки сприяють обробці та інтеграції сенсорної інформації, когнітивних функцій і поведінки. Ось деякі з сучасних напрямків досліджень коннектоміки:

* '''Коннектоміка розвитку''': ця галузь дослідження має на меті зрозуміти, як коннектом формується під час розвитку та як його структура змінюється з часом. Вивчаючи, як нейронні зв’язки формуються та розвиваються, дослідники сподіваються отримати розуміння механізмів, які лежать в основі розвитку мозку, і визначити фактори, які можуть впливати на його роботу.<ref>{{Cite news|title=Developmental Connectomics from Infancy through Early Childhood|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28684174/|work=Trends in Neurosciences|date=2017-08|accessdate=2023-04-01|issn=1878-108X|pmc=5975640|pmid=28684174|doi=10.1016/j.tins.2017.06.003|pages=494–506|volume=40|issue=8|first=Miao|last=Cao|first2=Hao|last2=Huang|first3=Yong|last3=He}}</ref><ref>{{Cite news|title=Unraveling the Miswired Connectome: A Developmental Perspective|url=https://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273(14)00780-6|work=Neuron|date=2014-09-17|accessdate=2023-04-01|issn=0896-6273|pmc=PMC4169187|pmid=25233316|doi=10.1016/j.neuron.2014.08.050|pages=1335–1353|volume=83|issue=6|language=English|first=Adriana|last=Di Martino|first2=Damien A.|last2=Fair|first3=Clare|last3=Kelly|first4=Theodore D.|last4=Satterthwaite|first5=F. Xavier|last5=Castellanos|first6=Moriah E.|last6=Thomason|first7=R. Cameron|last7=Craddock|first8=Beatriz|last8=Luna|first9=Bennett L.|last9=Leventhal}}</ref>
* '''Функціональна коннектоміка''': ця область дослідження зосереджена на розумінні того, як нейронні зв’язки впливають на роботу мозку. Дослідники використовують такі методи, як функціональна МРТ, щоб визначити моделі мозкової активності, пов’язані з конкретними завданнями або психічними станами. Співвідносячи ці моделі активності з даними коннектомів, дослідники сподіваються отримати уявлення про те, як нейронні схеми обробляють та інтегрують інформацію.<ref>{{Cite web|url=https://academic.oup.com/gigascience/article-lookup/doi/10.1186/s13742-015-0045-x|website=academic.oup.com|pmc=PMC4373299|pmid=25810900|accessdate=2023-04-01|doi=10.1186/s13742-015-0045-x|title=Connectomics and new approaches for analyzing human brain functional connectivity|last=R Cameron Craddock, Rosalia L Tungaraza, Michael P Milham|publisher=Oxford Academic|language=eng}}</ref><ref>{{Cite news|title=Functional connectomics from resting-state fMRI|url=https://www.cell.com/trends/cognitive-sciences/abstract/S1364-6613(13)00220-9|work=Trends in Cognitive Sciences|date=2013-12-01|accessdate=2023-04-01|issn=1364-6613|pmc=PMC4004765|pmid=24238796|doi=10.1016/j.tics.2013.09.016|pages=666–682|volume=17|issue=12|language=English|first=Stephen M.|last=Smith|first2=Diego|last2=Vidaurre|first3=Christian F.|last3=Beckmann|first4=Matthew F.|last4=Glasser|first5=Mark|last5=Jenkinson|first6=Karla L.|last6=Miller|first7=Thomas E.|last7=Nichols|first8=Emma C.|last8=Robinson|first9=Gholamreza|last9=Salimi-Khorshidi}}</ref><ref>{{Cite news|title=Differentiable programming for functional connectomics|url=http://arxiv.org/abs/2206.00649|work=arXiv:2206.00649 [cs, q-bio]|date=2022-05-31|accessdate=2023-04-01|doi=10.48550/arxiv.2206.00649|first=Rastko|last=Ciric|first2=Armin W.|last2=Thomas|first3=Oscar|last3=Esteban|first4=Russell A.|last4=Poldrack}}</ref><ref>{{Cite news|title=Functional connectomics of affective and psychotic pathology|url=https://pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1820780116|work=Proceedings of the National Academy of Sciences|date=2019-04-30|accessdate=2023-04-01|issn=0027-8424|pmc=PMC6500110|pmid=30988201|doi=10.1073/pnas.1820780116|pages=9050–9059|volume=116|issue=18|language=en|first=Justin T.|last=Baker|first2=Daniel G.|last2=Dillon|first3=Lauren M.|last3=Patrick|first4=Joshua L.|last4=Roffman|first5=Roscoe O.|last5=Brady|first6=Diego A.|last6=Pizzagalli|first7=Dost|last7=Öngür|first8=Avram J.|last8=Holmes}}</ref><ref>{{Cite news|title=Functional connectomics spanning multiple areas of mouse visual cortex|url=https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.07.28.454025v2|date=2021-08-09|accessdate=2023-04-01|doi=10.1101/2021.07.28.454025|pages=2021.07.28.454025|language=en|first=MICrONS|last=Consortium|first2=J. Alexander|last2=Bae|first3=Mahaly|last3=Baptiste|first4=Agnes L.|last4=Bodor|first5=Derrick|last5=Brittain|first6=JoAnn|last6=Buchanan|first7=Daniel J.|last7=Bumbarger|first8=Manuel A.|last8=Castro|first9=Brendan|last9=Celii}}</ref>
* '''Порівняльна коннектоміка''': ця галузь дослідження зосереджена на порівнянні коннектомів різних видів, щоб зрозуміти, як нейронні ланцюги еволюціонували, щоб підтримувати різні поведінки та функції. Порівнюючи коннектоми різних видів, дослідники сподіваються отримати розуміння фундаментальних принципів, що лежать в основі функціонування мозку та еволюції.<ref>{{Cite news|title=Comparative Connectomics|url=https://www.cell.com/trends/cognitive-sciences/abstract/S1364-6613(16)00048-6|work=Trends in Cognitive Sciences|date=2016-05-01|accessdate=2023-04-01|issn=1364-6613|pmid=27026480|doi=10.1016/j.tics.2016.03.001|pages=345–361|volume=20|issue=5|language=English|first=Martijn P. van den|last=Heuvel|first2=Edward T.|last2=Bullmore|first3=Olaf|last3=Sporns}}</ref>
* '''Патологічна коннектоміка''': Інша область дослідження коннектомів зосереджена на розумінні того, як коннектоми змінюються при неврологічних і психічних розладах. Дослідники використовували коннектомний аналіз, щоб визначити зміни в зв’язках мозку, пов’язані з такими захворюваннями, як хвороба Альцгеймера, шизофренія та аутизм. Розуміючи, як коннектом впливає на ці розлади, дослідники сподіваються розробити нові методи лікування та втручання.<ref>{{Cite news|title=A cross-disorder connectome landscape of brain dysconnectivity|url=https://www.nature.com/articles/s41583-019-0177-6|work=Nature Reviews Neuroscience|date=2019-07|accessdate=2023-04-01|issn=1471-003X|pmc=PMC8864539|pmid=31127193|doi=10.1038/s41583-019-0177-6|pages=435–446|volume=20|issue=7|language=en|first=Martijn P.|last=van den Heuvel|first2=Olaf|last2=Sporns}}</ref><ref>{{Cite news|title=Connectomics in Brain Aging and Dementia – The Background and Design of a Study of a Connectome Related to Human Disease|url=https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnagi.2021.669490|work=Frontiers in Aging Neuroscience|date=2021|accessdate=2023-04-01|issn=1663-4365|pmc=PMC8530182|pmid=34690734|doi=10.3389/fnagi.2021.669490|volume=13|first=Ann D.|last=Cohen|first2=Ricardo|last2=Bruña|first3=Yue-Fang|last3=Chang|first4=Yu|last4=Cheng|first5=Jack|last5=Doman|first6=Ted|last6=Huppert|first7=Tae|last7=Kim|first8=Fernando|last8=Maestu|first9=Rebecca E.|last9=Roush}}</ref><ref>{{Cite news|title=The potential of the human connectome as a biomarker of brain disease|url=https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnhum.2013.00484|work=Frontiers in Human Neuroscience|date=2013|accessdate=2023-04-01|issn=1662-5161|pmc=PMC3744009|pmid=23966935|doi=10.3389/fnhum.2013.00484|volume=7|first=Marcus|last=Kaiser}}</ref><ref>{{Cite news|title=Connectomics in psychiatric research: advances and applications|url=https://www.dovepress.com/connectomics-in-psychiatric-research-advances-and-applications-peer-reviewed-fulltext-article-NDT|work=Neuropsychiatric Disease and Treatment|date=2015-10-29|accessdate=2023-04-01|pmc=PMC4631424|pmid=26604764|doi=10.2147/NDT.S63470|pages=2801–2810|volume=11|language=English|first=Miao|last=Cao|first2=Zhijiang|last2=Wang|first3=Yong|last3=He}}</ref>
* '''Аналіз мережі''': передбачає використання математичних і [[Обчислювальна нейронаука|обчислювальних]] моделей для аналізу властивостей [[Біологічна нейронна мережа|нейронних мереж]]. Дослідники використовують мережевий аналіз для вивчення структури та функції нейронних ланцюгів, а також для визначення моделей зв’язку, які можуть бути порушені при неврологічних і психічних розладах.<ref>{{Cite news|title=Complex network measures of brain connectivity: uses and interpretations|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19819337/|work=NeuroImage|date=2010-09|accessdate=2023-04-01|issn=1095-9572|pmid=19819337|doi=10.1016/j.neuroimage.2009.10.003|pages=1059–1069|volume=52|issue=3|first=Mikail|last=Rubinov|first2=Olaf|last2=Sporns}}</ref><ref>{{Cite news|title=Network analysis and the connectopathies: current research and future approaches|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22196113/|work=Nonlinear Dynamics, Psychology, and Life Sciences|date=2012-01|accessdate=2023-04-01|issn=1090-0578|pmid=22196113|pages=79–90|volume=16|issue=1|first=Graeme|last=Martin}}</ref><ref>{{Cite news|title=On the nature and use of models in network neuroscience|url=http://www.nature.com/articles/s41583-018-0038-8|work=Nature Reviews Neuroscience|date=2018-09|accessdate=2023-04-01|issn=1471-003X|pmc=PMC6466618|pmid=30002509|doi=10.1038/s41583-018-0038-8|pages=566–578|volume=19|issue=9|language=en|first=Danielle S.|last=Bassett|first2=Perry|last2=Zurn|first3=Joshua I.|last3=Gold}}</ref><ref>{{Cite news|title=Network analysis of the human structural connectome including the brainstem: a new perspective on consciousness|url=https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.07.26.501537v1|date=2022-07-27|accessdate=2023-04-01|doi=10.1101/2022.07.26.501537|pages=2022.07.26.501537|language=en|first=Salma|last=Salhi|first2=Youssef|last2=Kora|first3=Gisu|last3=Ham|first4=Hadi Zadeh|last4=Haghighi|first5=Christoph|last5=Simon}}</ref>

Загалом, дослідження коннектомів — це галузь, яка швидко розвивається, і дає нові знання про організацію та функціонування нервової системи. Зображуючи коннектом, дослідники сподіваються отримати глибше розуміння мозку та його складності, а також розробити нові методи лікування неврологічних та психічних розладів.

== Методи вивчення коннектома ==
Вивчення коннектома вимагає поєднання методів з різних галузей, включаючи нейронауку, інформатику та інженерію. Ось деякі з основних методів, які використовуються в дослідженні коннектомів:

* [[Дифузійна МРТ]]: дифузійна магнітно-резонансна томографія (МРТ) — це неінвазивний метод [[Нейровізуалізація|нейровізуалізації]], який можна використовувати для дослідження шляхів білої речовини в мозку. Він працює шляхом вимірювання руху молекул води в мозку та використання цієї інформації для визначення напрямку та організації волокон білої речовини.
* [[Електронна мікроскопія]] — це метод візуалізації з високою роздільною здатністю, який можна використовувати для візуалізації окремих нейронів та їхніх зв’язків. Використовуючи ЕМ для зображення тонких шматочків мозкової тканини, дослідники можуть створити детальні карти нейронних зв’язків у певній ділянці мозку.
* [[Оптогенетика]] — це техніка, яка дозволяє дослідникам контролювати активність певних нейронів у мозку за допомогою [[Світло|світла]]. Використовуючи оптогенетику для вибіркової активації або гальмування нейронів, дослідники можуть вивчати функцію певних нейронних ланцюгів та їхній внесок у поведінку.
* [[Кальцієва візуалізація]] — це техніка, яка може бути використана для вимірювання активності великих популяцій нейронів у реальному часі. Використовуючи генетично закодовані індикатори кальцію, дослідники можуть відстежувати зміни нейронної активності у відповідь на різні стимули або поведінку.
* Мапування коннектому (картографування коннектому): відноситься до процесу реконструкції повної карти нейронних зв’язків у нервовій системі. Це можна зробити за допомогою різноманітних методів, включаючи електронну мікроскопію, МРТ та ін’єкції індикаторів.<ref>{{Cite news|title=Mapping the Connectome: Multi-Level Analysis of Brain Connectivity|url=https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fninf.2012.00014|work=Frontiers in Neuroinformatics|date=2012|accessdate=2023-04-01|issn=1662-5196|pmc=PMC3340894|pmid=22557964|doi=10.3389/fninf.2012.00014|volume=6|first=Trygve|last=Leergaard|first2=Claus|last2=Hilgetag|first3=Olaf|last3=Sporns}}</ref><ref>{{Cite news|title=The challenge of mapping the human connectome based on diffusion tractography|url=https://www.nature.com/articles/s41467-017-01285-x|work=Nature Communications|date=2017-11-07|accessdate=2023-04-01|issn=2041-1723|doi=10.1038/s41467-017-01285-x|pages=1349|volume=8|issue=1|language=en|first=Klaus H.|last=Maier-Hein|first2=Peter F.|last2=Neher|first3=Jean-Christophe|last3=Houde|first4=Marc-Alexandre|last4=Côté|first5=Eleftherios|last5=Garyfallidis|first6=Jidan|last6=Zhong|first7=Maxime|last7=Chamberland|first8=Fang-Cheng|last8=Yeh|first9=Ying-Chia|last9=Lin}}</ref><ref>{{Cite news|title=Personalized Connectome Mapping to Guide Targeted Therapy and Promote Recovery of Consciousness in the Intensive Care Unit|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32794142/|work=Neurocritical Care|date=2020-10|accessdate=2023-04-01|issn=1556-0961|pmc=8336723|pmid=32794142|doi=10.1007/s12028-020-01062-7|pages=364–375|volume=33|issue=2|first=Brian L.|last=Edlow|first2=Megan E.|last2=Barra|first3=David W.|last3=Zhou|first4=Andrea S.|last4=Foulkes|first5=Samuel B.|last5=Snider|first6=Zachary D.|last6=Threlkeld|first7=Sourish|last7=Chakravarty|first8=John E.|last8=Kirsch|first9=Suk-Tak|last9=Chan}}</ref>
* Аналіз мережі. Як згадувалося в попередньому розділі, аналіз мережі передбачає використання математичних і обчислювальних моделей для аналізу властивостей нейронних мереж. Ця техніка особливо корисна для вивчення великомасштабних мереж і виявлення моделей з’єднання, які можуть бути порушені при неврологічних і психічних розладах.

Загалом, ці методи забезпечують потужний набір інструментів для вивчення коннектома та розуміння організації та функціонування нервової системи.

== Застосування ==
Знання, отримані в результаті дослідження коннектомів, мають широке значення для розуміння мозку та розробки нових методів лікування неврологічних і психічних розладів. Ось деякі з потенційних застосувань дослідження коннектомів:

* Розуміння розвитку мозку: вивчаючи коннектом під час розвитку, дослідники можуть отримати уявлення про механізми, які лежать в основі розвитку мозку, і визначити фактори, які можуть впливати на проводку мозку. Ці знання можуть зрештою призвести до нових стратегій сприяння здоровому розвитку мозку та запобігання порушенням розвитку.
* Розробка нових методів лікування: визначивши зміни в коннектомі, пов’язані з неврологічними та психічними розладами, дослідники можуть розробити нові методи лікування та втручання. Наприклад, [[глибока стимуляція мозку]] (ГСМ або DBS) — це техніка, яка передбачає цілеспрямовану доставку електричної стимуляції до певних ділянок мозку. ГСМ показав перспективу для лікування таких захворювань, як хвороба Паркінсона та депресія.<ref>{{Cite news|title=Mechanisms of action of deep brain stimulation (DBS)|url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0149763407000723|work=Neuroscience & Biobehavioral Reviews|date=2008-01-01|accessdate=2023-04-01|issn=0149-7634|doi=10.1016/j.neubiorev.2007.06.003|pages=388–407|volume=32|issue=3|language=en|first=Erwin B.|last=Montgomery|first2=John T.|last2=Gale}}</ref><ref>{{Cite news|title=Deep brain stimulation (DBS) at the interface of neurology and psychiatry|url=https://www.jci.org/articles/view/68341|work=The Journal of Clinical Investigation|date=2013-11-01|accessdate=2023-04-01|issn=0021-9738|pmc=PMC3809784|pmid=24177464|doi=10.1172/JCI68341|pages=4546–4556|volume=123|issue=11|language=en|first=Nolan R.|last=Williams|first2=Michael S.|last2=Okun}}</ref>
* Розвиток штучного інтелекту: архітектура людського коннектому надихнула на нові підходи до штучного інтелекту (ШІ). Імітуючи структуру та функції людського мозку, дослідники сподіваються розробити більш досконалі та ефективніші системи ШІ.<ref>{{Cite web|title=New Chip Rewires Itself Like the Brain to Help AI Learn Continuously|url=https://singularityhub.com/2022/02/07/new-reprogrammable-chip-lets-ai-learn-continuously-just-like-the-brain/|website=Singularity Hub|date=2022-02-07|accessdate=2023-04-01|language=en-US|first=Edd|last=Gent}}</ref><ref>{{Cite web|title=This Mighty Brain Chip Is So Efficient It Could Bring Advanced AI to Your Phone|url=https://singularityhub.com/2022/08/30/this-brain-inspired-chip-ups-ai-computing-efficiency-while-using-less-energy/|website=Singularity Hub|date=2022-08-30|accessdate=2023-04-01|language=en-US|first=Shelly|last=Fan}}</ref>
* [[Персоналізована медицина]]: аналізуючи коннектом людини, дослідники зможуть розробити індивідуальні методи лікування неврологічних і психічних розладів. Це може включати виявлення конкретних моделей зв’язку, які порушені в даній людині, і націлювання на ці схеми за допомогою індивідуального лікування.
* Розуміння людської [[Поведінка|поведінки]]: коннектом забезпечує план нейронних ланцюгів, які лежать в основі людської поведінки. Вивчаючи коннектом, дослідники можуть отримати уявлення про механізми, які керують різними аспектами поведінки, від прийняття рішень до соціальної взаємодії.
* Розуміння та оптимізація процесів [[пізнання]], [[навчання]] та [[тренування]].

Загалом застосування дослідження коннектомів є широким і різноманітним, що має наслідки для розуміння мозку та розробки нових методів лікування ряду неврологічних і психічних розладів. Оскільки дослідження коннектомів продовжують просуватися, ми можемо очікувати ще більше захоплюючих подій у цій галузі в найближчі роки.


== Аксони, які іннервують м'язи вушних раковин у мишей ==
== Аксони, які іннервують м'язи вушних раковин у мишей ==
Рядок 11: Рядок 53:
Влітку 2009 року Національним Інститутом Здоров'я США був започаткований проект «Конектом людини» (англ.: Human Connectome Project) зі [[Стартове фінансування|стартовим фінансуванням]] у 30&nbsp;млн доларів.
Влітку 2009 року Національним Інститутом Здоров'я США був започаткований проект «Конектом людини» (англ.: Human Connectome Project) зі [[Стартове фінансування|стартовим фінансуванням]] у 30&nbsp;млн доларів.


== Примітки ==
== Див. також ==
{{reflist}}


* [[Нейропластичність]]
{{Нейронауки-доробити}}
* [[Нейронний ланцюг]]
{{Wikify|дата=березень 2015}}
* [[Нейронна мережа]]
* [[Клітинна нейронаука]]
* [[Системна нейронаука]]
* [[Обчислювальна нейронаука]]


== Примітки ==
[[Категорія:Когнітивна нейробіологія]]
[[Категорія:Когнітивна нейробіологія]]
[[Категорія:Обчислювальна нейробіологія]]
[[Категорія:Обчислювальна нейробіологія]]
[[Категорія:Нейронаука]]
[[Категорія:Клітинна нейрофізіологія]]

Версія за 12:36, 1 квітня 2023

Трактографія — це техніка тривимірного моделювання, яка використовується для візуального представлення нервових шляхів за допомогою даних, зібраних за допомогою дифузійної МРТ.
Трактографія людського мозку
Картографування нейронних мереж мозку на основі дифузійної МРТ
Зв'язки між різними візуальними областями у візуальній вистемі на основі дифузійної МРТ

Конекто́м — це повна мапа і опис структури зв'язків у нервовій системі організму.

Тракти білої речовини в мозку людини, візуалізовані МРТ-трактографією
Тракти білої речовини в мозку людини, візуалізовані МРТ-трактографією

Нервова система організму складається з нейронів, які спілкуються через синапси. Коннектом створюється шляхом відстеження нейрональної активності в нервовій системі та картографування, де нейрони з’єднані через синапси.

Галузь досліджень конектоміка включає в себе картографування та аналіз архітектури міжнейрональних зв'язків. Картографуючи коннектом, вчені сподіваються розгадати механізми, що лежать в основі сприйняття, пізнання, емоцій і поведінки, а також надати нове розуміння патофізіології неврологічних і психічних розладів.

Мережеве відображення зв'язків у мозку людини

Вперше, у 1986 році був описаний конектом черва Caenorhabditis elegans, нервова система якого налічує лише 302 нейрони[1]. Команда вчених нанесла на карту всі 7000 з'єднань між нейронами. Щодо мозку людини, то він налічує у собі близько 100 мільярдів нервових клітин і у 10 000 разів більше зв'язків між ними. Зрозуміло, що конектом такої структури буде включати в себе надзвичайно великий об'єм інформації. Вважають, що у зв'язках між нейронами закладено багато аспектів людської індивідуальності, таких як особистість і інтелект, тому опис конектома людини може стати великим кроком у розумінні багатьох розумових процесів. Визначення конектома черва-нематоди зайняло більш ніж 12 років кропіткої праці. Для створення конектома мозку людини необхідно мати більш прогресивні автоматизовані технології, які збільшать швидкість знаходження міжклітинних контактів.

Назва «конектом» була запропонована у 2005 році, незалежно один від одного, двома дослідниками Олафом Спорнсом та Патріком Хеґменном, за аналогією з терміном «гено́м».

Дослідження коннектома

Дослідження коннектома було в центрі уваги багатьох нейронаукових дисциплін. Одна з головних цілей дослідження коннектомів — зрозуміти, як нейронні зв’язки сприяють обробці та інтеграції сенсорної інформації, когнітивних функцій і поведінки. Ось деякі з сучасних напрямків досліджень коннектоміки:

  • Коннектоміка розвитку: ця галузь дослідження має на меті зрозуміти, як коннектом формується під час розвитку та як його структура змінюється з часом. Вивчаючи, як нейронні зв’язки формуються та розвиваються, дослідники сподіваються отримати розуміння механізмів, які лежать в основі розвитку мозку, і визначити фактори, які можуть впливати на його роботу.[2][3]
  • Функціональна коннектоміка: ця область дослідження зосереджена на розумінні того, як нейронні зв’язки впливають на роботу мозку. Дослідники використовують такі методи, як функціональна МРТ, щоб визначити моделі мозкової активності, пов’язані з конкретними завданнями або психічними станами. Співвідносячи ці моделі активності з даними коннектомів, дослідники сподіваються отримати уявлення про те, як нейронні схеми обробляють та інтегрують інформацію.[4][5][6][7][8]
  • Порівняльна коннектоміка: ця галузь дослідження зосереджена на порівнянні коннектомів різних видів, щоб зрозуміти, як нейронні ланцюги еволюціонували, щоб підтримувати різні поведінки та функції. Порівнюючи коннектоми різних видів, дослідники сподіваються отримати розуміння фундаментальних принципів, що лежать в основі функціонування мозку та еволюції.[9]
  • Патологічна коннектоміка: Інша область дослідження коннектомів зосереджена на розумінні того, як коннектоми змінюються при неврологічних і психічних розладах. Дослідники використовували коннектомний аналіз, щоб визначити зміни в зв’язках мозку, пов’язані з такими захворюваннями, як хвороба Альцгеймера, шизофренія та аутизм. Розуміючи, як коннектом впливає на ці розлади, дослідники сподіваються розробити нові методи лікування та втручання.[10][11][12][13]
  • Аналіз мережі: передбачає використання математичних і обчислювальних моделей для аналізу властивостей нейронних мереж. Дослідники використовують мережевий аналіз для вивчення структури та функції нейронних ланцюгів, а також для визначення моделей зв’язку, які можуть бути порушені при неврологічних і психічних розладах.[14][15][16][17]

Загалом, дослідження коннектомів — це галузь, яка швидко розвивається, і дає нові знання про організацію та функціонування нервової системи. Зображуючи коннектом, дослідники сподіваються отримати глибше розуміння мозку та його складності, а також розробити нові методи лікування неврологічних та психічних розладів.

Методи вивчення коннектома

Вивчення коннектома вимагає поєднання методів з різних галузей, включаючи нейронауку, інформатику та інженерію. Ось деякі з основних методів, які використовуються в дослідженні коннектомів:

  • Дифузійна МРТ: дифузійна магнітно-резонансна томографія (МРТ) — це неінвазивний метод нейровізуалізації, який можна використовувати для дослідження шляхів білої речовини в мозку. Він працює шляхом вимірювання руху молекул води в мозку та використання цієї інформації для визначення напрямку та організації волокон білої речовини.
  • Електронна мікроскопія — це метод візуалізації з високою роздільною здатністю, який можна використовувати для візуалізації окремих нейронів та їхніх зв’язків. Використовуючи ЕМ для зображення тонких шматочків мозкової тканини, дослідники можуть створити детальні карти нейронних зв’язків у певній ділянці мозку.
  • Оптогенетика — це техніка, яка дозволяє дослідникам контролювати активність певних нейронів у мозку за допомогою світла. Використовуючи оптогенетику для вибіркової активації або гальмування нейронів, дослідники можуть вивчати функцію певних нейронних ланцюгів та їхній внесок у поведінку.
  • Кальцієва візуалізація — це техніка, яка може бути використана для вимірювання активності великих популяцій нейронів у реальному часі. Використовуючи генетично закодовані індикатори кальцію, дослідники можуть відстежувати зміни нейронної активності у відповідь на різні стимули або поведінку.
  • Мапування коннектому (картографування коннектому): відноситься до процесу реконструкції повної карти нейронних зв’язків у нервовій системі. Це можна зробити за допомогою різноманітних методів, включаючи електронну мікроскопію, МРТ та ін’єкції індикаторів.[18][19][20]
  • Аналіз мережі. Як згадувалося в попередньому розділі, аналіз мережі передбачає використання математичних і обчислювальних моделей для аналізу властивостей нейронних мереж. Ця техніка особливо корисна для вивчення великомасштабних мереж і виявлення моделей з’єднання, які можуть бути порушені при неврологічних і психічних розладах.

Загалом, ці методи забезпечують потужний набір інструментів для вивчення коннектома та розуміння організації та функціонування нервової системи.

Застосування

Знання, отримані в результаті дослідження коннектомів, мають широке значення для розуміння мозку та розробки нових методів лікування неврологічних і психічних розладів. Ось деякі з потенційних застосувань дослідження коннектомів:

  • Розуміння розвитку мозку: вивчаючи коннектом під час розвитку, дослідники можуть отримати уявлення про механізми, які лежать в основі розвитку мозку, і визначити фактори, які можуть впливати на проводку мозку. Ці знання можуть зрештою призвести до нових стратегій сприяння здоровому розвитку мозку та запобігання порушенням розвитку.
  • Розробка нових методів лікування: визначивши зміни в коннектомі, пов’язані з неврологічними та психічними розладами, дослідники можуть розробити нові методи лікування та втручання. Наприклад, глибока стимуляція мозку (ГСМ або DBS) — це техніка, яка передбачає цілеспрямовану доставку електричної стимуляції до певних ділянок мозку. ГСМ показав перспективу для лікування таких захворювань, як хвороба Паркінсона та депресія.[21][22]
  • Розвиток штучного інтелекту: архітектура людського коннектому надихнула на нові підходи до штучного інтелекту (ШІ). Імітуючи структуру та функції людського мозку, дослідники сподіваються розробити більш досконалі та ефективніші системи ШІ.[23][24]
  • Персоналізована медицина: аналізуючи коннектом людини, дослідники зможуть розробити індивідуальні методи лікування неврологічних і психічних розладів. Це може включати виявлення конкретних моделей зв’язку, які порушені в даній людині, і націлювання на ці схеми за допомогою індивідуального лікування.
  • Розуміння людської поведінки: коннектом забезпечує план нейронних ланцюгів, які лежать в основі людської поведінки. Вивчаючи коннектом, дослідники можуть отримати уявлення про механізми, які керують різними аспектами поведінки, від прийняття рішень до соціальної взаємодії.
  • Розуміння та оптимізація процесів пізнання, навчання та тренування.

Загалом застосування дослідження коннектомів є широким і різноманітним, що має наслідки для розуміння мозку та розробки нових методів лікування ряду неврологічних і психічних розладів. Оскільки дослідження коннектомів продовжують просуватися, ми можемо очікувати ще більше захоплюючих подій у цій галузі в найближчі роки.

Аксони, які іннервують м'язи вушних раковин у мишей

Термін конектом вживається деякими дослідниками для означення карти зв'язків не всього організму, а його частини. Так, у 2009 році було опубліковано дослідження конектома аксонів, які іннервують міжщиткові м'язи вушних раковин мишей (англ.: interscutularis muscle connectome).

Влітку 2009 року Національним Інститутом Здоров'я США був започаткований проект «Конектом людини» (англ.: Human Connectome Project) зі стартовим фінансуванням у 30 млн доларів.

Див. також

Примітки

  1. ↑ White JG, Southgate E, Thomson JN, Brenner S (1986) The structure of the nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans. Phil. Trans. Royal Soc. London. B 314, 1-340.
  2. ↑ Cao, Miao; Huang, Hao; He, Yong (2017-08). Developmental Connectomics from Infancy through Early Childhood. Trends in Neurosciences. Т. 40, № 8. с. 494—506. doi:10.1016/j.tins.2017.06.003. ISSN 1878-108X. PMC 5975640. PMID 28684174. Процитовано 1 квітня 2023.
  3. ↑ Di Martino, Adriana; Fair, Damien A.; Kelly, Clare; Satterthwaite, Theodore D.; Castellanos, F. Xavier; Thomason, Moriah E.; Craddock, R. Cameron; Luna, Beatriz; Leventhal, Bennett L. (17 вересня 2014). Unraveling the Miswired Connectome: A Developmental Perspective. Neuron (English) . Т. 83, № 6. с. 1335—1353. doi:10.1016/j.neuron.2014.08.050. ISSN 0896-6273. PMC 4169187. PMID 25233316. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  4. ↑ R Cameron Craddock, Rosalia L Tungaraza, Michael P Milham. Connectomics and new approaches for analyzing human brain functional connectivity. academic.oup.com (eng) . Oxford Academic. doi:10.1186/s13742-015-0045-x. PMC 4373299. PMID 25810900. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  5. ↑ Smith, Stephen M.; Vidaurre, Diego; Beckmann, Christian F.; Glasser, Matthew F.; Jenkinson, Mark; Miller, Karla L.; Nichols, Thomas E.; Robinson, Emma C.; Salimi-Khorshidi, Gholamreza (1 грудня 2013). Functional connectomics from resting-state fMRI. Trends in Cognitive Sciences (English) . Т. 17, № 12. с. 666—682. doi:10.1016/j.tics.2013.09.016. ISSN 1364-6613. PMC 4004765. PMID 24238796. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  6. ↑ Ciric, Rastko; Thomas, Armin W.; Esteban, Oscar; Poldrack, Russell A. (31 травня 2022). Differentiable programming for functional connectomics. arXiv:2206.00649 [cs, q-bio]. doi:10.48550/arxiv.2206.00649. Процитовано 1 квітня 2023.
  7. ↑ Baker, Justin T.; Dillon, Daniel G.; Patrick, Lauren M.; Roffman, Joshua L.; Brady, Roscoe O.; Pizzagalli, Diego A.; Öngür, Dost; Holmes, Avram J. (30 квітня 2019). Functional connectomics of affective and psychotic pathology. Proceedings of the National Academy of Sciences (англ.). Т. 116, № 18. с. 9050—9059. doi:10.1073/pnas.1820780116. ISSN 0027-8424. PMC 6500110. PMID 30988201. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  8. ↑ Consortium, MICrONS; Bae, J. Alexander; Baptiste, Mahaly; Bodor, Agnes L.; Brittain, Derrick; Buchanan, JoAnn; Bumbarger, Daniel J.; Castro, Manuel A.; Celii, Brendan (9 серпня 2021). Functional connectomics spanning multiple areas of mouse visual cortex (англ.). с. 2021.07.28.454025. doi:10.1101/2021.07.28.454025. Процитовано 1 квітня 2023.
  9. ↑ Heuvel, Martijn P. van den; Bullmore, Edward T.; Sporns, Olaf (1 травня 2016). Comparative Connectomics. Trends in Cognitive Sciences (English) . Т. 20, № 5. с. 345—361. doi:10.1016/j.tics.2016.03.001. ISSN 1364-6613. PMID 27026480. Процитовано 1 квітня 2023.
  10. ↑ van den Heuvel, Martijn P.; Sporns, Olaf (2019-07). A cross-disorder connectome landscape of brain dysconnectivity. Nature Reviews Neuroscience (англ.). Т. 20, № 7. с. 435—446. doi:10.1038/s41583-019-0177-6. ISSN 1471-003X. PMC 8864539. PMID 31127193. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  11. ↑ Cohen, Ann D.; Bruña, Ricardo; Chang, Yue-Fang; Cheng, Yu; Doman, Jack; Huppert, Ted; Kim, Tae; Maestu, Fernando; Roush, Rebecca E. (2021). Connectomics in Brain Aging and Dementia – The Background and Design of a Study of a Connectome Related to Human Disease. Frontiers in Aging Neuroscience. Т. 13. doi:10.3389/fnagi.2021.669490. ISSN 1663-4365. PMC 8530182. PMID 34690734. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  12. ↑ Kaiser, Marcus (2013). The potential of the human connectome as a biomarker of brain disease. Frontiers in Human Neuroscience. Т. 7. doi:10.3389/fnhum.2013.00484. ISSN 1662-5161. PMC 3744009. PMID 23966935. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  13. ↑ Cao, Miao; Wang, Zhijiang; He, Yong (29 жовтня 2015). Connectomics in psychiatric research: advances and applications. Neuropsychiatric Disease and Treatment (English) . Т. 11. с. 2801—2810. doi:10.2147/NDT.S63470. PMC 4631424. PMID 26604764. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  14. ↑ Rubinov, Mikail; Sporns, Olaf (2010-09). Complex network measures of brain connectivity: uses and interpretations. NeuroImage. Т. 52, № 3. с. 1059—1069. doi:10.1016/j.neuroimage.2009.10.003. ISSN 1095-9572. PMID 19819337. Процитовано 1 квітня 2023.
  15. ↑ Martin, Graeme (2012-01). Network analysis and the connectopathies: current research and future approaches. Nonlinear Dynamics, Psychology, and Life Sciences. Т. 16, № 1. с. 79—90. ISSN 1090-0578. PMID 22196113. Процитовано 1 квітня 2023.
  16. ↑ Bassett, Danielle S.; Zurn, Perry; Gold, Joshua I. (2018-09). On the nature and use of models in network neuroscience. Nature Reviews Neuroscience (англ.). Т. 19, № 9. с. 566—578. doi:10.1038/s41583-018-0038-8. ISSN 1471-003X. PMC 6466618. PMID 30002509. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  17. ↑ Salhi, Salma; Kora, Youssef; Ham, Gisu; Haghighi, Hadi Zadeh; Simon, Christoph (27 липня 2022). Network analysis of the human structural connectome including the brainstem: a new perspective on consciousness (англ.). с. 2022.07.26.501537. doi:10.1101/2022.07.26.501537. Процитовано 1 квітня 2023.
  18. ↑ Leergaard, Trygve; Hilgetag, Claus; Sporns, Olaf (2012). Mapping the Connectome: Multi-Level Analysis of Brain Connectivity. Frontiers in Neuroinformatics. Т. 6. doi:10.3389/fninf.2012.00014. ISSN 1662-5196. PMC 3340894. PMID 22557964. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  19. ↑ Maier-Hein, Klaus H.; Neher, Peter F.; Houde, Jean-Christophe; Côté, Marc-Alexandre; Garyfallidis, Eleftherios; Zhong, Jidan; Chamberland, Maxime; Yeh, Fang-Cheng; Lin, Ying-Chia (7 листопада 2017). The challenge of mapping the human connectome based on diffusion tractography. Nature Communications (англ.). Т. 8, № 1. с. 1349. doi:10.1038/s41467-017-01285-x. ISSN 2041-1723. Процитовано 1 квітня 2023.
  20. ↑ Edlow, Brian L.; Barra, Megan E.; Zhou, David W.; Foulkes, Andrea S.; Snider, Samuel B.; Threlkeld, Zachary D.; Chakravarty, Sourish; Kirsch, John E.; Chan, Suk-Tak (2020-10). Personalized Connectome Mapping to Guide Targeted Therapy and Promote Recovery of Consciousness in the Intensive Care Unit. Neurocritical Care. Т. 33, № 2. с. 364—375. doi:10.1007/s12028-020-01062-7. ISSN 1556-0961. PMC 8336723. PMID 32794142. Процитовано 1 квітня 2023.
  21. ↑ Montgomery, Erwin B.; Gale, John T. (1 січня 2008). Mechanisms of action of deep brain stimulation (DBS). Neuroscience & Biobehavioral Reviews (англ.). Т. 32, № 3. с. 388—407. doi:10.1016/j.neubiorev.2007.06.003. ISSN 0149-7634. Процитовано 1 квітня 2023.
  22. ↑ Williams, Nolan R.; Okun, Michael S. (1 листопада 2013). Deep brain stimulation (DBS) at the interface of neurology and psychiatry. The Journal of Clinical Investigation (англ.). Т. 123, № 11. с. 4546—4556. doi:10.1172/JCI68341. ISSN 0021-9738. PMC 3809784. PMID 24177464. Процитовано 1 квітня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  23. ↑ Gent, Edd (7 лютого 2022). New Chip Rewires Itself Like the Brain to Help AI Learn Continuously. Singularity Hub (амер.). Процитовано 1 квітня 2023.
  24. ↑ Fan, Shelly (30 серпня 2022). This Mighty Brain Chip Is So Efficient It Could Bring Advanced AI to Your Phone. Singularity Hub (амер.). Процитовано 1 квітня 2023.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Конектом&oldid=39116163