Connectome

Den hvite substansen i en menneskelig hjerne, visualisert av MR .

Som connectome ( engelsk connectome ) er definert som totaliteten av forbindelsene i nervesystemet til et levende vesen . Hans studier på forskjellige skalaer viet til Konnektomik ( engelsk connectomics ), en gren av nevrovitenskap .

Siden forbindelsene til en nervecelle spiller en sentral rolle i å bestemme dens funksjon, er deres etterforskning et tradisjonelt tema for biologisk forskning. Imidlertid har paret av begrepene "connectome" og "connectomics" bare eksistert siden 2005. Human Connectome Project , godkjent i september 2010, bidro til etableringen, innenfor rammen som National Institutes of Health forsker på human connectome med til sammen nesten 40 millioner amerikanske dollar. Fremme dollar.

Mynt av begrepet

Begrepet "connectome" går tilbake til nevrologene Olaf Sporns ( Indiana University ) og Patric Hagmann ( École polytechnique fédérale de Lausanne ), som foreslo det uavhengig i 2005.

Ved bevisst å referere til de eksisterende begrepene genom og proteom , som betegner hele den genetiske informasjonen eller proteinene i et levende vesen, er navnet "connectome" ment å uttrykke at de individuelle forbindelsene bare kan forstås i deres gjensidige forhold til hverandre, i likhet med individuelle gener eller proteiner samhandler med hverandre i organismen. I likhet med proteomet er ikke connectome statisk, men er underlagt stadige endringer på grunn av dets nevrale plastisitet .

Begrepet ledninger , lånt fra elektroteknikk, brukes om de synaptiske forbindelsene mellom nevronene .

Connectome på forskjellige skalaer

Connectome-forskning fokuserer på nervesystemets nettverksegenskaper. Nettverket som skal undersøkes representeres vanligvis av en graf i betydningen grafteori , dvs. som et abstrakt sett med såkalte noder som er forbundet med kanter. Den spesifikke betydningen av noder og kanter avhenger av skalaen nervesystemet blir sett på. De mulige størrelsesordnene deles grovt opp i mikroskala, mesoskala og makroskala.

Mikroskala: Connectome som et nettverk av nerveceller

På det fineste nivået, mikroskalaen, består et nervesystem av nevroner som er koblet til hverandre ved synapser . En undersøkelse av nervevevet i denne skalaen krever dets representasjon med en oppløsning i mikrometerområdet. I dette tilfellet tilsvarer nodene i nettverksgrafen de enkelte nevronene.

En fullstendig rekonstruksjon av forbindelsesleddet på mikronivå ble først oppnådd i 1986 i hermafrodittene til nematoden Caenorhabditis elegans . Nervesystemet ditt består av 302 nevroner som danner rundt 5000 synapser, 2000 nevromuskulære endeplater og 600 gap-kryss . Det ble beskrevet i 1986 på grunnlag av en elektronmikroskopisk undersøkelse av serielle seksjoner av et team ledet av biologen John White .

En lignende omfattende undersøkelse av mer komplekse organismer er ikke mulig med den nåværende teknikken, siden antallet nevroner deres vanligvis løper inn i milliarder. På bakgrunn av projeksjoner kan det antas at den menneskelige hjerne for eksempel inneholder rundt 10 milliarder nevroner som danner rundt 100 milliarder synapser; Til sammenligning er det menneskelige genomet litt mer enn 3 milliarder basepar. På denne skalaen er det ikke lenger mulig å spore alle aksoner manuelt i påfølgende elektromikroskopiske snittbilder. Derfor utvikles spesialiserte metoder for maskinvisjon for denne oppgaven , men kvaliteten deres har ennå ikke nådd den manuelle segmenteringen . I tillegg representerer lagring og behandling av de resulterende datamengdene allerede en teknisk utfordring.

Mesoskala: Kortikale pilarer og lag

Den cerebrale cortex er organisert i kortikale kolonner, grupper av noen få hundre eller tusen nevroner, med en total diameter på omkring 80 mikrometer. De er preget av vanlige afferente nerveforbindelser, er spesielt sterkt forbundet med hverandre og er spesielt uttalt i de primære sensoriske områdene. De er en grunnleggende prosesseringsenhet i cortex.

I tillegg til denne vertikale organisasjonen, kan horisontale lag også skilles histologisk ; På grunn av antallet deres er hjernebarken delt inn i isocortex (seks lag) og allocortex (tre til fem lag). Mens hjerneforskning har gjort betydelige fremskritt i forståelsen på mikro- og makroskalaene i sin nyere historie , er det fortsatt få tilnærminger for å undersøke hvordan assosiasjoner av nevroner fungerer på mellomnivå.

Makroskala: forbindelser mellom hjerneområder

På grunnlag av deres anatomiske egenskaper eller deres funksjon kan forskjellige områder av hjernen skilles ut, som danner nodene i nettverksgrafen når connectome blir sett på makronivå. Disse sentrene er forbundet med lengre nervefibre som utgjør den hvite substansen . Det generelle forløpet for mange store nervebunter på makronivå er kjent på grunnlag av kunnskap oppnådd ved hjelp av spesielle preparerings- og fargeprosesser . Målet med dagens forskning (fra og med 2012) er å bruke avbildningsmetoder for å undersøke den individuelle forbindelsen til levende testpersoner og å belyse påvirkningen fra genetiske faktorer, normale aldringsprosesser, samt læringsprosesser og sykdommer. I tillegg til viktige bidrag fra mange mindre forskningsprosjekter, representerer Human Connectome Project det største koordinerte forskningsprogrammet på dette området mellom 2010 og 2015. Følgende tre metoder er for tiden tilgjengelige for forskning:

Den diffusjon bildebehandling tillater direkte undersøkelse av hvit substans. Den måler den bruniske molekylære bevegelsen av vannmolekyler. Siden dette er begrenset av mikrostrukturen til nervefibrene, muliggjør dens foretrukne retning et estimat av den lokale justeringen av nervefibrene. Traktografiprosesser rekonstruerer algoritmisk forløpet til de viktigste nervestykkene fra slike data. Forskjellige metoder er blitt foreslått for å utlede en nettverksgraf fra diffusjonsdataene: En mulighet er å ta hjerneområdene (dvs. nodene i grafen) fra et kortikale kart; Gong og andre definere 78 regioner på denne måten. En finere inndeling i 500 til 4000 noder kan oppnås ved å tilfeldig gruppere 8 til 64 tilkoblede vokser hver, som i dette tilfellet ikke har anatomisk betydning. To noder er forbundet med en kant når traktografien har rekonstruert en forbindelse mellom de tilsvarende områdene; Kantvekter kan utledes fra antall rekonstruerte kurver. Hvis det felles forbindelsesleddet skal vises for en hel gruppe testpersoner, settes en kant bare hvis forbindelsen i gruppen er gjengitt pålitelig.

I tillegg til diffusjonsavbildning, hvis nettverksgrafer blir sett på i sammenheng med connectomics som et uttrykk for "strukturell" tilkobling, brukes også funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI). Spesielt blir korrelasjoner i BOLD-signalet , som er et indirekte uttrykk for hjerneaktivitet, vurdert som en indikasjon på en forbindelse mellom de tilsvarende hjerneområdene. Målinger i hviletilstand er spesielt vanlige ; nettverkene som er observert blir derfor referert til som hvilende statlige nettverk . I forbindelse med connectomics er det håpet at funksjonell bildebehandling spesielt vil vise polysynaptiske forbindelser som for eksempel inneholder en bryter i thalamus og derfor ikke er pålitelig gjenkjent med diffusjonsbildebehandling. I motsetning til traktografimetoder viser fMRI de sammenkoblede hjerneområdene, men ikke forløpet til selve nerveforbindelsen; Til gjengjeld lider det mindre av kryssing eller fanning av fiberbaner, noe som begrenser nøyaktigheten og påliteligheten til traktografimetoder.

En tredje tilnærming fører systematiske korrelasjoner i tykkelsen på forskjellige kortikale regioner tilbake til en forbindelse mellom de korrelerte områdene. Denne tykkelsen kan estimeres fra konvensjonelle T1-vektede magnetiske resonanstomografibilder . Siden disse sammenhenger bare kan beregnes ved å sammenligne fag, er det i dette tilfellet ikke noe individuelt sammenkobling, men en felles graf for alle fagene i gruppen som ble undersøkt.

Koblingspunktet i sammenheng med funksjonell spesialisering og integrering

I henhold til teorien om funksjonell spesialisering og integrering krever spesifikke hjernefunksjoner integrering av spesialiserte hjerneområder. En viktig motivasjon for å undersøke connectome er antagelsen om at forbindelsene mellom nervecellene bidrar betydelig til begge aspekter. For eksempel bestemmes funksjonen til den visuelle cortex primært av dens afferente forbindelse til sensoriske celler i øyet. På den annen side er det kjent fra eksperimenter med pasienter med delt hjerne at fiberkanaler i corpus callosum er essensielle for integrering av synsinntrykk fra venstre synsfelt med språksentrene .

Mens funksjonell spesialisering gjennom metoder for elektrofysiologi og funksjonell bildebehandling nå er blitt undersøkt og dokumentert relativt grundig, forventes forskning i connectome å gi ytterligere innsikt i mekanismene for funksjonell integrasjon, som hittil har blitt mindre forstått.

litteratur

  • Sebastian Seung: Connectome - Forklarer hjernens kretsdiagram oss selv? Springer Spectrum, 2013, ISBN 978-3-642-34294-3 .

weblenker

Commons : Connectomics  - samling av bilder, videoer og lydfiler

Individuelle bevis

  1. ^ O. Sporns, G. Tononi, R. Kötter: The Human Connectome: A Structural Description of the Human Brain. I: PLoS Comput Biol. 1 (4), 2005, s. E42.
  2. ^ A b P. Hagmann: Fra diffusjons-MR til hjerne-connectomics. Avhandling . École polytechnique fédérale de Lausanne, 2005.
  3. ^ JG White, E. Southgate, JN Thomson, S. Brenner: Strukturen i nervesystemet til nematoden Caenorhabditis elegans. I: Phil. Trans. Royal Soc. London. B 314, 1986, s. 1-340.
  4. ^ O. Sporns: Connectome. I: Scholarpedia. 5 (2), 2009, s. 5584. Revisjon 91162.
  5. Tur SC Turaga, JF Murray, V. Jain, F. Roth, M. Helmstaedter, K. Briggman, W. Denk, HS Seung: Konvolusjonsnettverk kan lære å generere affinitetsgrafer for bildesegmentering . I: Neural Computation . teip 22 , nei. 2 , 2010, s. 511-538 , doi : 10.1162 / neco.2009.10-08-881 , PMID 19922289 .
  6. ↑ Manifestet. Hva vet og kan hjerneforskere gjøre i dag? I: Brain & Mind . Juni 2004.
  7. ^ E. Ludwig, L. Klingler: Atlas cerebri humani. S. Karger AG, Basel 1956.
  8. ^ A b G. Gong, Y. He, L. Concha, C. Lebel, DW Gross, AC Evans, C. Beaulieu: Mapping Anatomical Connectivity Patterns of Human Cerebral Cortex Using In Vivo Diffusion Tensor Imaging Tractography . I: Cerebral Cortex . teip 19 , 2009, s. 524-536 , doi : 10.1093 / cercor / bhn102 , PMC 2722790 (fri fulltekst).
  9. ↑ a b P. Hagmann, M. Kurant, X. Gigandet, P. Thiran, VJ Wedeen, R. Meuli, J.-P. Thiran: Kartlegging av menneskelige helhjernen strukturelle nettverk med diffusjons-MR. I: PLoS ONE . 2 (7), 2007, s. E597.
  10. ↑ KRA Van Dijk, T. Hedden, A. Venkataraman, KC Evans, SW Lazar, RL Buckner: Intrinsic Funksjonell Connectivity som et verktøy for menneskelig Connectomics: Teori, Egenskaper, og optimalisering. I: Journal of Neurophysiology . 103, 2010, s. 297-321.
  11. ^ Y. Han, ZJ Chen, AC Evans: Small-World Anatomical Networks in the Human Brain Avdekket av kortikal tykkelse fra MR. I: Cerebral Cortex. 17, 2007, s. 2407-2419.
  12. ↑ K. Friston: Funksjonell integrasjon. I: K. Friston et al. (Red.): Statistisk parametrisk kartlegging. Analysen av funksjonelle hjernebilder. Akademisk presse, 2011.
  13. ^ O. Sporns: Discovering the Human Connectome. MIT Press, 2012, s. 20.