company_banner

Нейроискусство: зачем создают картины из нейронов мозга

    image


    Искусство и наука редко пересекаются. Когда это происходит и прикладное исследование, понятное лишь специалистам, обогащается визуальными образами, наука получает больше внимания обывателей. Сравните сами: исследования мозга по всему миру ведутся каждый день, но графики, диаграммы и рентгеновские снимки не вызывают у нас сильные эмоции. Однако, как только появляются красочные рисунки, иллюстрирующие воздействие на мозг, новость получает большой отклик. Вне контекста научных открытий нам просто нравится смотреть на работу внутренних органов, особенно интересно следить за функционированием полушарий, отвечающих за мышление.


    Картография мозга


    image
    Коннектом мозга мыши


    Ученые из Allen Institute for Brain Science в Сиэтле создали карту, которая детально отображает взаимосвязи между клетками мозга мыши. До создания такого рода картин не додумался бы ни один художник — 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. В результате карта взаимосвязей, происходящих в одной из областей мозга, отображалась в виде зеленой флуоресцентной сетки зараженных нейронов.


    image


    Даже «обычные» карты мозга впечатляют. Ученые из Университета штата Калифорния в Беркли разработали интерактивную карту, которая показывает, где хранятся значения определенных слов, а также как связаны слова и их значения.


    image


    Самую крупную в мире трехмерную карту нейронных сетей коры головного мозга опубликовали нейробиологи из Института Аллена, Гарвардской медицинской школы и NERF (исследовательского проекта в сфере нейроэлектроники). Разработка карты заняла более десяти лет: исследователи проанализировали колоссальные массивы данных по мозговой активности, и это позволило установить взаимосвязь между структурой и функциями мозга.


    Чтобы создать карту мозга мыши, на экран перед их глазами выводили горизонтальные и вертикальные линии — нейроны реагировали на эти визуальные сигналы. Затем были сделаны ультратонкие срезы мозга. Это позволило получить многочисленные изображения нейронов и синапсов, которые были использованы в создании 3D-модели.


    Мозг как самая главная загадка


    image


    До сих пор не существует полной карты человеческого мозга. Есть несколько подходов к решению этой задачи. Один из способов заключается в расшифровке пути, по которым электрические сигналы путешествуют между нейронами, когда мозг выполняет определенные функции. Проблема в том, что каждый ломтик толщиной пятьдесят миллиардных долей метра приходится тщательно фотографировать с помощью электронного микроскопа, а затем программно пытаться восстановить связи между нейронами поштучно.


    Процесс занимает очень много времени, но есть способы ускорить его. Например, можно использовать различные краски, позволяющие помечать цветом разные нейроны и связи, чтобы их было лучше видно. В проекте EyeWire любому пользователю в формате игры предлагают раскрасить нейронные связи на картинке с реальными нейронами сетчатки глаза, снятые электронным микроскопом. Вот так наука добивается прогресса через геймификацию.


    Холст и краски нейронных связей


    image


    Выпускник факультета нейробиологии университета Пенсильвании Грег Данн убрал из уравнения научный поиск и сконцентрировался на визуальной составляющей. Он начал рисовать нейроны в стиле японской акварельной живописи суми-э (это вид монохромной живописи, в которой традиционно присутствуют только два цвета).


    image
    Столбчатая структура коры головного мозга. Золото, чернила, проявитель, слюда на алюминиевой панели


    Данн сначала изучает реальное изображение нейронов, затем переносит основные очертания на бумагу и начинает создавать картину. Чтобы точнее передать особенности структур нейронных связей, художник использует напыление чернил на неабсорбирующую бумагу. При этом он больше импровизирует, а не срисовывает реальное изображение — добиться такой же витиеватой структуры крайне сложно, если просто копировать исходное изображение.


    image
    Корзинчатые и пирамидальные нейроны (у которых вверх ведет большой апикальный дендрит, есть один аксон, идущий вниз, и множество базальных дендритов) в двигательной коре головного мозга. Чернила на 22-каратном золоте


    Если подуть на каплю чернил, узоры ее растекания по поверхности будут случайными, зависящими от воздушных завихрений, формы бумаги, микроскопических препятствий — ветвления на рисунках получаются такими же, как реальные ветвления нервных клеток.


    image
    Схема коры больших полушарий. Гравюра золотом на стали


    В этой работе Данн перенес изображение на металл с помощью метода фотолитографии. Гравюру покрыли сусальным золотом. Техника позволяет вытравить копии клеточных микроструктур в тончайших золотых пластинах, каждая из которых отражает свет под определенным углом.


    image


    В основу этих работ легла техника нейровизуализации брэйнбоу (brain — мозг, rainbow — радуга), в которой используют флюоресцентные белки для окраски связанных друг с другом нейронов. На рисунках показана вариация брэйнбоу-окраски гиппокампа (ключевой структуры взрослого нейрогенеза) в четырех цветах.


    image


    Если взглянуть на гиппокам в различных научных работах, то можно сравнить уровни визуализации объектов. Здесь гиппокамп (слева) и целый мозг мыши (справа), окрашенные целиком. На изображении гиппокампа делящиеся клетки обозначены красным. Розовый — обонятельная луковица, фиолетовый — субвентрикулярная зона и ростральный миграционный путь, оранжевый — гиппокамп, желтый — поверхность мозжечка.


    image


    Большая часть работ Данна посвящена нейронам, однако он уделяет внимание и другим клеткам. На рисунке выше вы видите изображение спинного мозга.


    image
    Мозжечок. Золото, краски, эмаль на алюминизированной панели


    В картинах используется не только золото, но и прозрачные краски, лаки, герметики, специальные вспениватели, металлические порошки, химически активные ингредиенты.


    image


    На этой картине изображена растущая кора головного мозга человека (на 15-й неделе беременности).


    image


    Этот рисунок показывает зрительную кору. Это лишь часть одной грандиозной картины художника, на которой изображены 750 000 нейронов и связи между ними.


    Как видите, наука и искусство могут пересекаться в способах передачи информации. И если сухой язык академических статей мало привлекает людей, то для популяризации научных идей можно воспользоваться опытом художественной культуры.


    Картины Грега Данна экспонируются в Институте Франклина в Филадельфии, а на сайте проекта можно посмотреть видеозаписи, которые показывают, как элементы выглядят под разными подсветками.

    Метки:
    • +23
    • 9,4k
    • 8
    Mail.Ru Group 249,52
    Строим Интернет
    Поделиться публикацией
    Похожие публикации
    Комментарии 8
    • 0
      каждый ломтик толщиной пятьдесят миллиардных долей метра приходится тщательно фотографировать с помощью электронного микроскопа, а затем программно пытаться восстановить связи между нейронами поштучно.

      Интересно, а что что мешает сделать устройство, которое бы срезало лазером очень тонкий поверхностный слой, затем водило бы над срезом электронным микроскопом (а софт для сшивания множества изображений в одно уже существует)?
      Наибольшая сложность тут состоит в определении соответствий элементов между слоями, но при крайне маленькой толщине слоя — не думаю, что это слишком большая проблема.
      Если есть кто знакомый с темой — можете рассказать поподробнее?
      • 0
        Есть и такое. Слайсером был порезан мозг на тонкие лоскуты, которые были сфотографированы электронным микроскопом, а потом программно все это сшили. Не помню как назывался проект. И 3D модель этого мозга есть, содержащая полный коннектом.
        • 0
          Я имел в виду даже не тонкие лоскуты, а немного другое: когда лазер в каждый проход испаряет очень-очень тонкий слой с поверхности (минимально возможной толщины, в идеале — в несколько молекул), электронный микроскоп сканирует открывшийся срез, лазер испаряет ещё небольшой слой и т.д.

          Насколько я понимаю, испарить минимально тонкий слой куда проще, чем отделить его от основной замороженной массы, перенести куда-то и уже там сфотографировать.
          • 0
            Вы уверены что лазером возможно сделать настолько хороший срез, который можно будет фотографировать? А как же продукты распада тканей и денатурация белка при тепловом воздействии?
      • 0

        Очень крутая, исследовательская работа, мне нравиться, респектую автору!

        • 0
          Завораживающее действие, мозг изучающий сам себя
          • 0

            Я думал, из за чего роботы уничтожат людей… Оказывается из за искусства!

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

              Самое читаемое