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
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.
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.
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
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
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).
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.
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.
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.
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.
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.
Большая часть работ Данна посвящена нейронам, однако он уделяет внимание и другим клеткам. На рисунке выше вы видите изображение спинного мозга.
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.
На этой картине изображена растущая кора головного мозга человека (на 15-й неделе беременности).
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.