Исследователи получили «отпечатки» белого вещества головного человека. С помощью метода диффузионной МРТ они смоделировали самую детальную карту нейронных связей из всех когда-либо созданных. Ученые подтвердили: структурные соединения в уникальны для каждого отдельного человека. В ходе исследования выяснилось, что по структуре нервной системы можно идентифицировать человека с точностью, близкой к 100%
Команда ученых во главе с Тимоти Верстиненом, доцентом кафедры психологии Университета Карнеги-Меллона изучила 699 карт нейронных связей – коннектом. Коннектомы показывают детальные связи в участке центральной нервной системы, состоящей из аксонов. Все аксоны в этой области покрыты оболочкой белого цвета, поэтому ее называют белым веществом.
Архитектура белого вещества – вещь индивидуальная, поэтому она пригодна для определения различий между «отпечатками» . Структура нейронных связей частично определяется генетическими факторами, но большая ее часть изменяется под влиянием времени.
Специфические особенности , которые помогают идентифицировать человека, кодируются уникальным рисунком связей между нейронами. Сравнить два коннектома разных людей и выразить эту разницу каким-либо количественным показателем – достаточно сложная задача. Анализ требует точной карты архитектуры белого вещества. Чтобы построить наиболее подробную карту нейронных связей, в своем исследовании ученые использовали данные диффузионной МРТ. Она измеряет диффузию молекул воды вдоль волокон белого вещества в . Такой метод дает ученым возможность проследить направления аксонов и определить структуру нейронной связи от одного участка к другому, но он недостаточно точен. Поэтому исследователи отказались от него в пользу локального коннектома.
Локальный коннектом – это степень связности между соседними элементами в пучках белого вещества. Она измеряется тензором диффузии воды. Если соединить эти измерения, получится вектор, описывающий набор признаков, соответствующий коннектому конкретного человека.
Уникальность структуры локального коннектома: А — функция распределения спинов, демонстрирующая диффуцию жидкости; В — демонстрация различий каждого объекта с помощью дробной анизотропии; С — определение уникальности с помощью коэффициента диффузии.
Оценить эффективность подхода ученые смогли с помощью четырех наборов данных повторных сканирований, которые они получили в разные промежутки времени. В этом и заключается главная особенность исследования – ученые анализировали уже собранную когда-то информацию. Затем они выяснили, можно ли определить принадлежность коннектома человеку. Для этого они сопоставили информацию с отпечатками пальцев. Последующий анализ показал, что по локальному коннектому можно определить количественное сходство между связанными генетически людьми.
Измерения показали, что коннектом каждого человека уникален, как и отпечатки пальцев. Такую детальную карту можно использовать для идентификации личности наравне с дактилоскопией, и 17 тысяч идентификационных тестов подтвердили это предположение. С почти 100% точностью они могли определить, принадлежат ли два коннектома одному и тому же человеку, или нет. Вероятность ошибки этой технологии в тысячу раз меньше, чем у дактилоскопии. Но даже такой метод не дает полной гарантии.
Коннектомы гомозиготных (MZ), гетерозиготных (DZ) близнецов и братьев с сестрами (Siblings)
Коннектом можно использовать как маркер фенотипа человека. Ученые обнаружили, что у гомозиготных близнецов совпадает 12,51% структурных связей. У гетерозиготных общая часть еще меньше, всего 5,4%. У братьев и сестер, появившихся на свет поочередно, сходство составляет 4,51%. Со временем эта доля уменьшается в среднем на 12,79% каждые 100 дней.
Сходства и различия между близнецами и братьями-сестрами
«Самая захватывающая часть этого исследования состоит в том, что теперь мы можем применить новый метод к данным, которые собирались ранее, и выявить новую информацию, которую до этого никто не интерпретировал. Более высокая точность этого метода позволяет нам достоверно определить, как наследственные факторы и особенности окружающей среды со временем влияют на человеческий . Таким образом мы сможем лучше понять функции и дисфункции мозга» – отмечает Фан-Чен Е, доцент неврологической хирургии в Питтсбургском университете и один из авторов исследования.
Таким образом мы можем увидеть, как события, объединяющие людей, отражаются на работе . Метод диффузионной МРТ дает исследователям полезные биомаркеры. Они помогут определить, как болезни, окружающая среда, наследственные и социальные факторы влияют на и его изменения во времени. Это значит, что все жизненные потрясения так или иначе отражаются на связях человека. Уникальность «отпечатков» сопоставима с отпечатками пальцев и не исключено, что когда-нибудь карта нейронов дополнит или полностью заменит дактилоскопию.
В последнее время ученые все чаще находят применение данным МРТ в различных сферах. В своей работе ученые из из Пенсильванского университета сравнили точность работы фМРТ и полиграфа в определении лжи. Оказалось, что даже у неврологов без опыта в детекции лжи шанс обнаружить обман на 24% выше, чем у профессиональных полиграфологов. Весной группа нейробиологов из университета Калифорнии в Беркли создала «семантический атлас» коры головного . Он показывает, какие зоны головного отвечают за обработку слов, связанных с цифрами, зрительными образами, географическими объектами, эмоциями и другими факторами. Кроме того, по атласу можно приблизительно понять, что человек читает и о чем думает.
Научная работа опубликована в журнале PLoS Computational Biology 15 ноября 2016 года
DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005203
Автор: krasandm
