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 ^[1] 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 ^[1], 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 ^[1].

Картография мозга

Коннектом мозга ^[1] мыши

Ученые из Allen Institute for Brain Science в Сиэтле создали карту ^[2], которая детально отображает взаимосвязи между клетками мозга ^[1] мыши. До создания такого рода картин не додумался бы ни один художник — исследователи вводили флуоресцентный вирус зеленого цвета в определенную зону мозга ^[1] живой мыши. Вирус заражал нейроны вблизи места инъекции, и через три недели распространялся по всему мозгу ^[1]. В результате карта взаимосвязей, происходящих в одной из областей мозга ^[1], отображалась в виде зеленой флуоресцентной сетки зараженных нейронов.

Даже «обычные» карты мозга ^[1] впечатляют. Ученые из Университета штата Калифорния в Беркли разработали интерактивную карту ^[3], 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 ^[1] опубликовали ^[4] 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 ^[1].

Чтобы создать карту мозга ^[1] мыши, на экран перед их глазами выводили горизонтальные и вертикальные линии — нейроны реагировали на эти визуальные сигналы. Затем были сделаны ультратонкие срезы мозга ^[1]. 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 ^[1]. Есть несколько подходов к решению этой задачи. Один из способов заключается в расшифровке пути, по которым электрические сигналы путешествуют между нейронами, когда мозг ^[1] 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 ^[5] 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 ^[1]. 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 ^[1]. 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 ^[1], 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 ^[6], то можно сравнить уровни визуализации объектов. Здесь гиппокамп (слева) и целый мозг ^[1] 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 ^[1].

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 ^[1] 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 ^[7], которые показывают, как элементы выглядят под разными подсветками.