Карта мозга. Головной мозг: строение и функции, общее описание

Вращающийся глобус и «лоскутное одеяло» изображённых на нём стран - такая карта помогает нам понять, где именно мы находимся, а также то, что государства и народы отличаются друг от друга и имеют весьма конкретные границы. Теперь подобная карта появилась и у внешнего слоя мозга - его коры, на которой каждое полушарие оказалось разделённым на 180 отдельных «стран» . Причём, девяносто семь областей из них никогда не описывались ранее, несмотря на явные различия в структуре, функции и значительную связь с соседями. Новая карта мозга опубликована в Nature .

Иллюстрация: M. F. Glasser, D. C. Van Essen

«Каждая отдельная область на карте содержит клетки со сходными структурой, функциями и взаимосвязями. Но эти «регионы» отличаются друг от друга подобно разным странам и имеют чётко определённые границы, а также уникальную культуру»,

Отмечает Дэвид Ван Эссен (David Van Essen), невролог Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури, который курировал исследование.

Нейрофизиологи давно стремились разделить мозг на мелкие части, чтобы лучше понять, как он работает в целом. Одна из самых известных карт мозга разделила кору на 52 области, основанные на различном расположении клеток в ткани (теперь эти зоны известны как поля Бродмана). Более современные карты основывались на данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) - например, функциональной МРТ, которая измеряет приток крови в ответ на различные умственные задачи.

Однако, до сих пор большинство таких «картографических» исследований проводились с помощью лишь одного типа измерений, что, как отмечает Томас Йео (Thomas Yeo), нейробиолог из Национального университета Сингапура, не только не даёт полное представление о работе всего мозга, но и может ввести исследователей в заблуждение. Новая карта основана на многократных МРТ измерениях, которые максимально конкретизируют внимание на корковых областях и поэтому помогают наиболее хорошо их оценить.

Разделяй и властвуй

Чтобы построить карту, группа учёных под руководством нейробиолога Мэтью Глассера (Mathew Glasser) из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе использовала изображения, полученные у 210 здоровых молодых людей, которые участвовали в проекте «Коннектом человека» по картированию структур мозга и их функциональных связей. В исследование включили информацию о толщине коры, функциях мозга, аксональных связях между регионами, о топографической организации клеток в ткани и содержании миелина - вещества, которое отвечает за электроизоляцию аксонов.

Глассер зонировал кору головного мозга по принципу значительных изменений в двух или более свойствах, которые использовал, чтобы «расставить» границы на карте. Обработка данных велась с использованием алгоритмов машинного обучения.

«Если медленно «ползать» по поверхности коры, то в какой-то момент вы найдёте такое место, где свойства начнут меняться, или даже такое, где обнаружатся несколько независимых изменений на одном и том же месте»,

Отметил исследователь.

Методика подтвердила наличие 83 известных ранее участков мозга и выявила ещё 97 новых. Учёные проверили карту, наблюдая за работой этих регионов у 210 человек. Они обнаружили то, что карта достаточно точная, но размер её зон несколько варьирует от человека к человеку. Эти различия помогут понять по-новому индивидуальную изменчивость когнитивных способностей, а также выявить риски развития заболеваний.

Грани достижимого

«Несмотря на то, что в центре внимания этой работы лежало создание красивого и усреднённого шаблона мозга, он действительно открывает возможность для дальнейшего изучения уникальных сочетаний индивидуальных особенностей с интеллектуальными и творческими способностями, то есть того, что делает каждого из нас уникальным»,

Говорит Рекс Юнг (Rex Jung), нейропсихолог из Университета Нью-Мексико в Альбукерке.

Но при всех очевидных плюсах минусы также есть: карта ограничена в нескольких важных аспектах. Самое важное, она очень немногое рассказывает о биохимических основах работы мозга или об активности отдельных нейронов, их небольших групп.

«Это похоже на фантастическую карту Google «Планета Земля», которая может даже продемонстрировать ваше район города или даже задний двор вашего дома. Тем не менее, вы не можете рассмотреть, как передвигаются ваши соседи, куда они собираются переместиться и какая у них работа»,

Говорит Юнг.

Глассер же предполагает, что этот проект станет версией 1.0.

«Это не означает, что этот вариант окончательный, но то, что мы получили сейчас, гораздо лучше, чем то, что мы имели прежде»,

Резонно замечает учёный.

A multi-modal parcellation of human cerebral cortex

Matthew F. Glasser, Timothy S. Coalson, Emma C. Robinson, David C. Van Essen et all.

Nature (2016) doi:10.1038/nature18933

Головной мозг - главнейший регулятор функций любого живого организма, один из элементов До сих пор ученые медики изучают особенности мозга и открывают все новые невероятные его возможности. Это очень сложный орган, который связывает наш организм с внешней средой. Отделы мозга и их функции регулируют все жизненные процессы. Внешние рецепторы ловят сигналы и информируют о поступивших раздражителях (световых, звуковых, тактильных и многих других) какой-либо отдел мозга. Ответная реакция наступает мгновенно. Как работает наш головной «процессор», разберемся подробнее.

Общее описание мозга

Отделы мозга и их функции полностью руководят нашими жизненными процессами. Состоит человеческий мозг из 25 миллиардов нейронов. Это невероятное количество клеток образует серое вещество. Мозг покрывает несколько оболочек:

• мягкая;
• твердая;
• паутинная (здесь циркулирует ликвор).

Ликвор - это спинномозговая жидкость, в головном мозге играет роль амортизатора, защитника от любой ударной силы.

Как у мужчин, так и у женщин мозг развит абсолютно одинаково, хотя вес его разный. Совсем недавно улеглись споры о том, что вес мозга играет какую-то роль в умственном развитии и интеллектуальных способностях. Вывод однозначный - это не так. Вес мозга составляет примерно 2 % от общей массы человека. У мужчин вес его в среднем 1 370 г, а у женщин - 1 240 г. Функции отделов головного мозга человека развиты стандартно, от них зависит жизнедеятельность. Умственные способности зависят от созданных в мозге количественных связей. Каждая клетка мозга - нейрон, который генерирует и передает импульсы.

Полости внутри мозга называются желудочками. В разные отделы уходят черепно-мозговые парные нервы.

Функции отделов головного мозга (таблица)

Каждый отдел в мозге выполняет свою работу. Таблица, представленная ниже, это наглядно демонстрирует. Мозг, словно компьютер, четко выполняет свои задачи, получая команды из внешнего мира.

Функции отделов головного мозга, таблица раскрывает схематично и емко.

Ниже рассмотрим отделы мозга более подробно.

Строение

На картинке показано, как устроен головной мозг. Самую значительную часть занимают несмотря на это, все отделы мозга и их функции играют огромную роль в работе организма. Выделяется пять главнейших отделов:

• конечный (от общей массы составляет 80 %);
• задний (мост и мозжечок);
• промежуточный;
• продолговатый;
• средний.

В то же время разделяется головной мозг на три основные части: ствол мозга, мозжечок, два больших полушария.

Конечный мозг

Невозможно кратко описать строение мозга. Чтобы понять отделы мозга и их функции, необходимо плотно изучить их структуру.

Конечный мозг тянется от лобной до затылочной кости. Здесь рассматривается два больших полушария: левое и правое. От других этот отдел отличается наибольшим числом борозд и извилин. Развитие и строение мозга тесно завязаны между собой. Специалистами выделено три вида коры:

• древняя (с обонятельным бугорком, передним продырявленным веществом, полулунной подмозолистой и боковой подмозолистой извилиной);
• старая (с зубчатой извилиной - фасцией и гиппокамбом);
• новая (представляет всю оставшуюся часть коры).

Полушария разделяются продольной бороздой, в ее глубине располагается свод и мозолистое тело, которые соединяют полушария. Само мозолистое тело выстлано и относится к новой коре. Строение полушарий достаточно сложное и напоминает многоуровневую систему. Здесь различаются лобная, височная, теменная и затылочная доли, подкорка и кора. Большими полушариями выполняется огромное количество функций. Стоит отметить, что левое полушарие командует правой частью тела, а правое наоборот - левой.

Кора

Поверхностный слой головного мозга - это кора, толщину она имеет 3 мм, покрывает полушария. Структура состоит из вертикальных нервных клеток, имеющих отростки. В коре содержатся также эфферентные и афферентные нервные волокна, а также нейроглии. Отделы головного мозга и их функции рассмотрены в таблице, а что представляет собой кора? Ее сложнейшая структура имеет горизонтальную слоистость. В строении имеется шесть слоев:

• наружный пирамидальный;
• наружный зернистый;
• внутренний зернистый;
• молекулярный;
• внутренний пирамидальный;
• с веретеновидными клетками.

Каждый имеет разную ширину, плотность, форму нейронов. Вертикальные пучки нервных волокон придают коре вертикальную исчерченность. Площадь коры составляет примерно 2 200 квадратных сантиметров, количество нейронов достигает здесь десяти миллиардов.

Отделы головного мозга и их функции: кора

Кора руководит несколькими специфическими функциями организма. Каждая доля отвечает за свои параметры. Рассмотрим функции, привязанные к отелам подробнее:

• височная - управляет обонянием и слухом;
• теменная - отвечает за вкус и осязание;
• затылочная - зрение;
• лобная - сложное мышление, движение и речь.

Каждый нейрон контактирует с другими нейронами, имеется до десяти тысяч контактов (серое вещество). Нервные волокна - это белое вещество. Некая часть объединяет полушария мозга. Белое вещество включает в себя три вида волокон:

• ассоциационные связывают в одном полушарии различные корковые участки;
• комиссуральные соединяют полушария между собой;
• проекционные осуществляют связь с нижними образованиями, имеют пути анализаторов.

Рассматривая строение и функции отделов головного мозга, необходимо подчеркнуть роль серого и Полушария внутри имеют (серое вещество), основной функцией их является передача информации. Между мозговой коркой и базальными ядрами расположено белое вещество. Здесь различается четыре части:

• между бороздами в извилинах;
• в наружных местах полушарий;
• включенные во внутреннюю капсулу;
• расположенные в мозолистом теле.

Находящееся здесь белое вещество образуется нервными волокнами и связывает кору извилин с нижележащими отделами. образуют подкорку мозга.

Конечный мозг - руководит всеми жизненно важными функциями организма, а также интеллектуальными способностями человека.

Промежуточный мозг

Отделы мозга и их функции (таблица представлена выше) включают в себя промежуточный мозг. Если смотреть подробнее, то стоит сказать, что состоит он из вентральной и дорсальной частей. К вентральной относится гипоталамус, к дорсальной - таламус, метаталамус, а также эпиталамус.

Таламус является посредником, который полученные раздражения направляет в полушария. Часто он именуется «зрительным бугром». Он помогает организму быстро приспосабливаться к изменениям во внешней среде. Соединен таламус с мозжечком с помощью лимбической системы.

Гипоталамус руководит вегетативными функциями. Влияние идет через нервную систему, и, конечно же, железы внутренней секреции. Регулирует работу эндокринных желез, контролирует обмен веществ. Гипофиз расположен прямо под ним. Регулируется температура тела, сердечнососудистая и пищеварительная система. Также гипоталамус руководит нашим пищевым и питьевым поведением, регулирует бодрствование и сон.

Задний

Задний мозг включает в себя расположенный спереди мост и мозжечок, который находится позади. Изучая строение и функции отделов мозга, подробнее рассмотрим строение моста: дорсальная поверхность перекрывается мозжечком, вентральная представлена волокнистым строением. Волокна направлены в этом отделе поперечно. По каждой стороне моста они отходят к мозжечковой средней ножке. С виду мост напоминает утолщенный белый валик, расположенный над продолговатым мозгом. Корешки нервов выходят в бульбарно-мостовую борозду.

Строение заднего моста: на фронтальном разрезе видно, что состоит отдел передней (большой вентральной) и задней (малой дорсальной) части. Между ними границей служит трапециевидное тело, поперечные толстые волокна которого причисляют к слуховому пути. Проводниковая функция полностью зависит от заднего мозга.

Мозжечок (малый мозг)

Таблица «Отдел мозга, строение, функции» указывает на то, что мозжечок ответственен за координацию и движение тела. Расположен этот отдел сзади моста. Часто мозжечок именуют «малым мозгом». Он занимает заднюю черепную ямку, прикрывает ромбовидную. Масса мозжечка составляет от 130 до 160 г. Сверху расположены большие полушария, которые отделяются поперечной щелью. Нижней частью мозжечок прилежит к продолговатому мозгу.

Здесь различается два полушария, нижняя, верхняя поверхность и червь. Границу между ними называют горизонтальной глубокой щелью. Множество щелей изрезают поверхность мозжечка, между ними располагаются тонкие извилины (валики). Между бороздками находятся группы извилин, разделенные на дольки, они представляют доли мозжечка (заднюю, клочково-узелковую, переднюю).

Мозжечок содержит как серое, так и белое вещество. Серое размещено на периферии, образует кору с молекулярными и грушевидными нейронами, и зернистым слоем. Под корой имеется белое вещество, которое проникает в извилины. В белом веществе имеются вкрапления серого (его ядер). В разрезе такое соотношение похоже на дерево. Те, кто знает строение головного мозга человека, функции его отделов, с легкостью ответит, что мозжечок - регулятор координации движений нашего организма.

Средний мозг

Средний мозг находится в области переднего отдела моста и идет до сосочковых тел, а также к зрительным трактам. Здесь выделены скопления ядер, которые именуются буграми четверохолмия. Строение и функции отделов головного мозга (таблица) указывают на то, что отдел этот ответственен за скрытое зрение, ориентировочный рефлекс, дает ориентацию рефлексам на зрительные и звуковые раздражители, а также поддерживает тонус мышц человеческого организма.

Продолговатый мозг: стволовая часть

Продолговатый мозг - это естественное продолжение спинного мозга. Именно поэтому в строении имеется много общего. Особенно ясно это становится, если детально рассмотреть белое вещество. Представляют его короткие и длинные нервные волокна. В виде ядер здесь представлено серое вещество. Отделы мозга и их функции (таблица представлена выше) указывает, что продолговатый мозг руководит нашим равновесием, координацией, регулирует обмен веществ, руководит дыханием и кровообращением. Также отвечает за такие важные рефлексы нашего организма, как чихание и кашель, рвота.

Стволовая часть головного мозга подразделяется на задний и средний мозг. Стволом называют средний, продолговатый, мост и промежуточный мозг. Строение его - нисходящие и восходящие пути, связывающие ствол со спинным и головным мозгом. В этой части ведется контроль за сердцебиением, дыханием, членораздельной речью.

Wikimedia Commons

Американские ученые составили полный атлас человеческого мозга, имеющий самое высокое разрешение на сегодняшний день. Его интерактивная электронная версия доступна на соответствующем ресурсе, а печатная заняла весь текущий выпуск .

Детальное описание анатомической и микроскопической структуры мозга необходимо для понимания его развития, функций и заболеваний. Однако имеющиеся атласы человеческого мозга гораздо менее подробны (в плане как полноты, так и разрешения), чем атласы мозга червей, мух или птиц. Причина этого заключается в технических ограничениях, вызванных размером и сложностью устройства мозга человека.

Для создания своего атласа сотрудники Алленовского института исследований мозга применили ряд лучевых и гистологических методик визуализации. На первом этапе работы они провели магнитно-резонансную и диффузионно-тензорную томографии цельного мозга, извлеченного при вскрытии 34-летней женщины. После этого из мозга приготовили микросрезы целых полушарий и провели их микроскопию по веществу Ниссля и с иммуногистохимическим окрашиванием, для чего ученым пришлось разработать специальный сканер. В итоге получилось 1356 крупноформатных изображений с разрешением в микрометр на пиксель, что соответствует размерам одной клетки. Использование одного и того же мозга позволило интегрировать полученные при томографии и микроскопии данные в целостный источник информации.

Интерфейс атласа

Allen Brain Atlas

Allen Human Brain Reference Atlas содержит информацию о 862 отделах мозга, в том числе 117 пучках белого вещества и нескольких структурах, не выделенных ранее. Описание новой коры (неокортекса) проведено по отдельным извилинам, бороздам и модифицированным цитоархитектоническим полям Бродмана . Оно позволяет связать анатомические и клеточные особенности этих структур.

Интерактивный цифровой атлас также интегрирован с созданным в Алленовском институте ранее атласом экспрессии генов в мозге.

«Атлас представляет собой отход от классических изданий в плане формата публикации. На сегодняшний день он один совмещает строгость рецензируемой научной публикации с представлением в форме книги и общедоступного интерактивного онлайн-ресурса», - заявил участник проекта и главный редактор Journal of Comparative Neurology Патрик Хоф (Patrick Hof).

Allen Human Brain Reference Atlas предназначен для неврологов, нейробиологов, ученых других специальностей и просто любителей науки. Авторы планируют дополнить его картами мозга, полученными в ходе функциональных и цитологических исследований. Такими дополнениями могут послужить, например, детальная карта функциональных участков коры мозга, с применением машинного обучения, и карта семантического словаря мозга, с помощью функциональной МРТ.

Недавно японским ученым впервые создать полную модель нейрональных связей (коннектома) одного полушария мозга плодовой мухи дрозофилы.

Чтобы создать карту, исследователи вводили флуоресцентный вирус зеленого цвета в определенную зону мозга живой мыши. Вирус заражал нейроны вблизи места инъекции, и через три недели распространялся по всему мозгу. Ниже карта взаимосвязей, происходящих в одной из областей мозга, отображенная в виде зеленой флуоресцентной сетки зараженных нейронов. Среди прочих функций, данная область мозга отвечает за интерпретацию определенных ощущений, в первую очередь чувство осязания.

После того как вирус распространился, ученые изъяли мозг из мыши и сделали его снимки различными способами, в конечном итоге получив около 1 терабайта данных. Следуя по пути вируса и анализа созданных изображений до невероятно мелких масштабов, исследователи получили картину того, как зараженный участок взаимодействует со всем головным мозгом. Например, вот 3D визуализация взаимосвязей между четырьмя областями, отвечающими за зрение, в коре головного мозга мыши (зеленый, желтый, красный, оранжевый). В пресс-релизе исследования сообщается, что эти районы тесно взаимосвязаны друг с другом и с соседними областями мозга в таламусе (розовый) и среднем мозге (фиолетовый).

Как только ученые добились изображения карты нейронных связей в одной области мозга, они повторили этот процесс со всеми остальными участками. Всего исследователи проанализировали снимки около 1700 мышей, но исследование основано лишь на 469 из них. Ниже визуализация полученных данных, которая включает взаимосвязи нескольких областей мозга:

Полученные данные также могут быть представлены в виде круглой диаграммы. Эта диаграмма отображает связи между 215 областями мозга мыши. Взаимосвязи исходящие из 11 конкретных областей мозга выделены разными цветами, остальные отображены серым цветом.

Image caption Магнитно-резонансная томография позволяет получить картину активности различных участков мозга при выполнении разных задач

Ученые получили самое детальное компьютерное изображение человеческого мозга.

Целью проекта Human Connectome является исследование того, как структура мозга влияет на поведение и способности человека.

Участники проекта надеются в конечном итоге получить 1200 таких изображений, а также собрать данные о ДНК и поведении этих людей.

Эта информация доступна всем нейрофизиологам и нейрохирургам, которые интересуются загадками человеческого мозга.

Руководитель проекта профессор Дэвид Ван Эссен из Вашингтонского университета в Сент-Луисе считает, что свободный доступ к этой информации для всех ученых приведет к быстрому прогрессу в этой области.

Карта мозга

Добровольцы, которые согласились на участие в проекте, проходили томографическое сканирование мозга на протяжении четырех часов. В течение этого времени они занимаются решением ряда задач, в том числе арифметических, слушают читаемые им тексты, играют в азартные игры и производят различные движения.

Кроме того, они проходят тестирование своих умений и способностей. У них также берут пробы на ДНК.

Получаемые данные дают самую полную из известных сейчас картин внутренней структуры человеческого мозга.

Они показывают, как связаны с собой различные участки мозга, расположение нервных пучков, их толщину.

Эти данные позволяют также получить функциональную карту мозга, то есть показать, как определенные участки его активизируются при выполнении различных задач.

Это позволит ученым определить, каким образом индивидуальные различия в структуре мозга связаны с различиями в способностях - например, с музыкальностью, общительностью, склонностью к математике.

"Мы обладаем теперь множеством данных о деятельности мозга, которые раньше проходили мимо нашего внимания, - заявил профессор Ван Эссен. - Вопрос теперь стоит об интерпретации этих данных".

Мозг и болезни

Изучение функционирования здорового мозга поможет тем исследователям, которые занимаются различными патологиями в его работе, например, болезнями Альцгеймера и Паркинсона.

Среди тех, кто займется анализом этих данных, есть профессор психиатрии из Кембриджа Эд Барримор. Он считает, что такие психические заболевания как шизофрения, наркомания и обсессивно-компульсивное расстройство имеют корни в неправильном развитии мозга.

"Мы получим новые возможности по пониманию этих заболеваний на основе представлений о том, как развивается и функционирует нормальный мозг", - говорит психиатр.

Новые данные помогут также тем исследователям, которые занимаются проблемой старческого слабоумия, или деменции.

Это исследование рассчитано на пять лет и финансируется правительством США, выделившим на него бюджет в 40 млн долларов. Его результаты открыты для ученых всего мира.

Прообразом для данного проекта стал проект по исследованию генома человека, в рамках которого данные публиковались в открытом доступе, что привело к прогрессу в области генетики.

Однако в области нейрофизиологии и возникающей на наших глазах новой научной дисциплине - нейроинформатике - прогресс был значительно медленнее из-за объемов и сложности получаемой информации.

Например, изображения, полученные при сканировании 68 добровольцев, занимают около двух терабайтов в компьютерной памяти, что эквивалентно нескольким сотням дисков формата DVD.

Поэтому в рамках проекта Human Connectome была создана специальная база данных под названием ConnectomeDB, которая облегчает обмен информацией среди ученых.

"Я убежден, что проект ускорит развитие нейроинформатики, которая позволит нам получать и анализировать данные о структуре мозга с гораздо более высокой эффективностью, чем прежде, - считает профессор Ван Эссен. - А это может привести к радикальному сдвигу в нашем понимании того, как функционирует мозг человека".