CC BY
8УДК: 611.81.013
КОНЦЕПЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ О РАЗВИТИИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА НА ПРЕНАТАЛЬНОМ ЭТАПЕ ОНТОГЕНЕЗА
DOI
Харламова А. С.1, Прощина А. Е.1, Отлыга Д. А.1, Дремин Е. М. 2, Савельев С. В. 1
1 Научно-исследовательский институт морфологии человека имени академика А. П. Авцына ФГБНУ «Российский научный центр хирургии имени академика Б. В. Петровского» Москва, Россия
2 Веб-студия Евгения Дремина, Новосибирск, Россия e-mail: brainmicroscopy@yandex.ru
Аннотация: Атласы мозга широко используются для определения локализации структур мозга, их формы и целого ряда других параметров. Новейшая страница в истории атласов головного мозга — создание мульти-модальных цифровых атласов. Но даже наиболее представительные современные проекты на сегодняшний день являются далеко не полными в части данных о внутриутробном созревании мозга человека. Цель нашего проекта создать общедоступную информационную систему и интегрированную базу данных по развитию головного мозга человека. Уже с самого начала база данных должна включать в себя данные по основным структурам головного мозга на разных сроках внутриутробного развития. Такое предоставление требует создания масштабируемой иерархической системы горизонтальных и вертикальных связей. Разрабатываемая информационная система будет полезна для практической медицины, фундаментальной ней-ронауки и обучения специалистов медико-биологического направления.
Ключевые слова: атлас мозга человека, пренатальное развитие
Атласы мозга широко используются для определения относительной локализации структур мозга, их формы и целого ряда других параметров. Новейшая страница в истории атласов головного мозга — создание так называемых мультимодальных цифровых атласов, которые совмещают в себе изображения целого мозга как на макроморфологическом (в том числе, с применением методов прижизненной визуализации), так и на тканевом, и даже на клеточ-
ном уровнях, включают данные гистологических и иммуногистохи-мических исследований, гибридизации in situ и результаты других методов. Развитие мозга человека на пренатальном этапе онтогенеза на сегодняшний день можно считать «terra incognita» современной нейробиологии человека. Большая часть современных атласов, посвященных развитию головного мозга человека, основана на материалах неинвазивных исследований, предоставляющих информацию в основном на макроморфологическом уровне. Исследования мозга эмбрионов и плодов человека на уровне ниже макроморфоло-гического достаточно редки, что связано с целым рядом объективных обстоятельств, связанных как с практикой забора материала, так и с ограничениями законодательного и этического характера. На сегодняшний день даже наиболее представительные современные международные проекты являются далеко не полными в части данных о внутриутробном созревании мозга человека [1].
Цель нашего проекта создать общедоступную информационную систему и интегрированную базу данных по пренатальному развитию головного мозга человека. Полученные результаты будут финализированы в виде Интернет-ресурса с цифровым атласом пренатального морфогенеза головного мозга человека. В центре нашего внимания находятся принципы автоматизации, масштабируемости, конфигурирования и простоты для конечных пользователей. При размещении данных в четко определенных коллекциях по срокам развития обеспечиваются точки доступа к огромному массиву данных; при этом меню фильтрации позволят пользователям просматривать и уточнять данные на основе множества интересующих переменных. Кроме этого, в информационную систему будут интегрированы аннотации к метаданным, чтобы предоставить информацию об образцах и стимулировать внедрение стандартизированной номенклатуры. Основная информация на сайте будет представлена в виде макрофотографий с морфологическим описанием головного мозга на разных сроках развития и виртуальных серий срезов с реализацией технологии создания цифровых образов препаратов для удаленного просмотра без потери качества и разрешения. Атлас будет состоять из аннотированных карт развивающегося мозга человека, полученных с помощью сканирования серийных срезов аутопсий мозга плодов человека на разных стадиях пренатального онтогенеза (от 8 до 40 недель гестационного развития), окрашенных при помощи гистологических методов (гематоксилином и эозином, по Нисслю и по Маллори). Эта базовая рефе-
ренсная часть Атласа будет дополнена сериями микрофотографий, иллюстрирующими пространственно-временные изменения региональных профилей иммунофенотипов переднего мозга. Протоколы обработки материала будут представлены в открытом доступе. Мы планируем, что пользователь сможет осуществлять навигацию как по сроку развития плодов, так и по отдельным структурам головного мозга или определенным ключевым методам и маркерам. Информационная система будет функционировать в различных режимах: обзор, запрос и поиск. Режим обзора предназначен для навигации по иерархическому дереву при выборе структуры из базы данных. Режим запроса позволит выбрать структуру с помощью динамических SQL-запросов. Режим поиска обеспечит полнотекстовый контекстный поиск в базе данных структур головного мозга.
Таким образом одной из важнейших задач проекта является разработка адаптируемой структуры для картирования головного мозга человека на разных стадиях пренатального развития. Первый аннотированный цифровой атлас человеческого мозга, включающий изображения целого мозга взрослой женщины, содержит подробные аннотации для 862 структур [2]. В развивающемся мозге плодов человека, с одной стороны, могут быть выделены не все структуры, описанные для взрослого человека, особенно на ранних этапах развития. С другой стороны, на эмбриональном и фетальном этапах развития существуют временные или провизорные структуры. При этом уже с самого начала интегрированная база данных должна включать в себя информацию об основных структурах головного мозга на разных сроках онтогенеза. Для описания каждой структуры должна быть принята общая концептуальная модель представления данных: латинское название, а также общепринятые русское и английское название и наиболее распространенные синонимы, указание принадлежности к определенному отделу головного мозга и (или) группе структур, эволюционное происхождение, общность функции и т. д. Такое предоставление требует создания непротиворечивой масштабируемой иерархической системы горизонтальных и вертикальных связей для аннотирования тех или иных структур развивающегося мозга человека. В ряде случаев потребуются отдельные разъяснения об иных точках зрения на иерархическую принадлежность, онтогенетическое происхождение и функциональные особенности той или иной структуры. Отдельной задачей является разметка оцифрованных препаратов для каждого срока развития с последующим наложением аннотированных схем (рис. 1).
Как и другие базы данных с возможностью пополнения в течении времени, разрабатываемый нами атлас предоставит ключевые наборы данных, на которые можно ссылаться и/или повторно анализировать благодаря их подробным аннотациям к метаданным. Разрабатываемая информационная система будет полезна для практической медицины (особенно в областях неонатологии), фундаментальной нейронауки и во время обучения специалистов медико-биологического направления.
Рис. 1. Макет страницы атласа с первичной разметкой среза плода 11 недель гестационного развития.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 22—15—00172 «Иммунофенотипическая карта нейрогенеза
коры головного мозга человека»
Список литературы:
1. Ding SL, Royall JJ, Lesnar P, Facer BAC, Smith KA, Wei Y et al. Cellular resolution anatomical and molecular atlases for prenatal human brains. J Comp Neurol. 2022;530 (1):6—503. DOI: 10.1002/ cne.25243.
2. Ding, s.-l., royall, j. J., sunkin, s. M., ng, l., facer, b. A. c., lesnar, p., guil-lozet-bongaarts, a., mcmurray, b., szafer, a., dolbeare, t. A., stevens, a., tirrell, l., benner, t., caldejon, s., dalley, r. A., dee, n., lau, c., nyhus, j.,
reding, m., riley, z. L., sandman, d., shen, e., van der kouwe, a., var-jabedian, a., write, m., zollei, l., dang, c., knowles, j. A., koch, c., phillips, j. W., sestan, n., wohnoutka, p., zielke, h. R., hohmann, j. G., jones, a. R., bernard, a., hawrylycz, m. J., hof, p. R., fischl, b. And lein, e. S. (2016), comprehensive cellular-resolution atlas of the adult human brain. J. Comp. Neurol., 524: 3127—3481. Doi:10.1002/cne.24080
COLLECTION AND PROCESSING OF DATA ON THE HUMAN BRAIN DEVELOPMENT DURING THE PRENATAL ONTOGENESIS
A. S. Kharlamova1, Proshchina A. E.1, OtlygaD. A.1, Dremin E. M.2, S. V. Saveliev1
1 Avtsyn Research Institute of Human Morphology FSBSI "Petrovsky National Research Center of Surgery", Moscow, Russia
2 Dremin web Studio, Novosibirsk, Russia
Abstract: The Human Brain Atlases are widely used for structure localization, its definitions, comparative purposes and so on. The recent tendency of the brain mapping is development of the multimodal interactive digital atlases. Nevertheless, even the most worldwide modern projects on the human brain are restricted in the part of the brain prenatal development and maturation. The main goal of our project is creation of the online data source with integrated database on the human brain development. Already early in the project, such source should include data on the main brain structure on the all periods of the prenatal ontogenesis from early fetal stages to postnatal ones. Such representation of the atlas data requires development of the scalable hierarchical system with horizontal and vertical network for each structure. This source will be useful for the medicine practice, also as for fundamental neuroscience and education of the biomedicine specialists. Keywords: human brain atlas, prenatal development
