1. Учёные Массачусетского технического института и Венского университета представили первую систему визуализации, способную в режиме реального времени отслеживать активность каждого нейрона в мозге 2. О работах CompMechLab® НИУ СПбГПУ по конечно-элементному моделированию электромагнитных полей человеческого мозга
Учёные Массачусетского технического института и Венского университета представили первую систему визуализации, способную в режиме реального времени отслеживать активность каждого нейрона в мозге животного и за тысячные доли секунды преобразовывать эту информацию в трёхмерный видеоролик. Разработка призвана помочь учёным лучше разобраться, каким образом нейронные сети позволяют обрабатывать поступающую из «внешнего мира» информацию и совершать какие бы то ни было действия.
Пока система позволила проследить за каждым нейроном в теле круглого червя Caenorhabditis elegans и за мозгом личинки рыбки данио-рерио. В результате удалось получить более подробную картину нервной системы этих двух существ, чем когда-либо существовала ранее. Caenorhabditis elegans был выбран для эксперимента потому, что нейронная сеть этого животного, состоящаю из 302 нейронов, является единственной полностью изученной на сегодняшний день.
Как объясняет Эд Бойден (Ed Boyden) из MIT, ведущий автор исследования, наблюдение за одним нейроном не даёт понять, каким образом будет обработана информация, им получаемая и передаваемая, ни что это за информация. Для того, чтобы найти ответы на такие вопросы, нужно будет также знать о других нейронах, участвующих в том же процессе чуть раньше или чуть позже. «Иными словами, чтобы проследить, каким образом выстроена цепочка от ощущения до действия, необходимо увидеть сразу весь мозг», – поясняет учёный.
Учёные рассчитывают, что их работа, опубликованная в журнале Nature Methods, также поможет больше узнать о биологических предпосылках заболеваний мозга. До сих пор не представлялось возможным выделить каждую нервную клетку, отвечающую за такие болезни, но предложенная технология может позволить добыть новую информацию и, как следствие, разработать новые методы лечения.
При помощи нейронов в мозг поступает информация об окружающей действительности, улавливаемая органами чувств. Также нейроны отвечают за мысли, эмоции и действия животных. Всё это происходит благодаря потенциалам действия – электрическим разрядам, которые позволяют проникать в клетку ионам кальция. Ранее при помощи белка, заставляющего клетки светиться при контакте с кальцием учёным удалось визуализировать полёт мысли, однако само по себе это не давало возможности быстро получить полную картину в трёх измерениях. Следующим шагом стало сканирование с помощью лазерного луча, но этот метод также не отличался оперативностью.
Наконец, в новом исследовании специалисты технологией визуализации светового поля, благодаря которой трёхмерное изображение можно создать при помощи измерения углов, под которыми на объект падают лучи света. Микроскопы, необходимые для применения подобной технологии, уже были разработаны ранее, но учёные усовершенствовали и впервые использовали для изучения нейронной активности.
Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам сайта Наука и Технологии РФ.
FEA.ru-комментарий. О работах CompMechLab® в области мультидисциплинарных конечно-элементных исследований электромагнитных полей человеческого мозга. В 2009 г. сотрудники CompMechLab (проф. А.И. Боровков и аспирант К.Ю. Аристович) представили на всемирный ANSYS-конкурс работу, которая экспертным советом была признана одной из лучших - Конечно-элементное моделирование электромагнитных полей человеческого мозга с целью решения прямой задачи магнитно-резонансной томографии на основе результатов магнитоэнцефалографии (исследование выполнили сотрудники CompMechLab совместно с учеными City University London).
Публикации по теме исследования:
- Khan S., Aristovich K.Y., Borovkov A. Matematical Modelling of Human Brain for Magnetic Field Tomography Based on Magnetoencephalography. Proc. 12th IMEKO TC1 & TC7 Joint Symposium on Man, Science & Measurement, 2008, Annecy, France, 191 - 194.
- Khan S.H., Aristovich K.Y., Borovkov A.I. Solution of the Forward Problem in Magnetic-Field Tomography (MFT) Based on Magnetoencephalography (MEG). IEEE Transactions on Magnetics, 2009, Vol. 45, Issue 3, 1416-1419.
- Aristovich K.Y., Khan S.H. A NEW SUBMODELLING TECHNIQUE FOR MULTI-SCALE FINITE ELEMENT COMPUTATION OF ELECTROMAGNETIC FIELDS: APPLICATION IN BIOELECTROMAGNETISM. Journal of Physics: Conference Series. 2010. Т. 238. С. 012050.
- Aristovich K.Y., Khan S.H. Automatic procedure for realistic 3d finite element modelling of human brain for bioelectromagnetic computations. J. Phys.: Conf. Ser. 238, 012065 (8p.)
- Aristovich K.Y., Khan S.H., Borovkov A.I. Investigation of optimal parameters for finite element solution of the forward problem in magnetic field tomography based on magnetoencephalography. Journal of Physics: Conference Series (Sensors & their Applications XVI), 2011, v.307, N1. 012015_(9p.). Некоторые рисунки из публикации:
