ВСЕРОСИЙСКАЯ ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ «ШАГ В БУДУЩЕЕ»
Пятнадцатая научная конференция молодых исследователей «Шаг в будущее, Москва»
регистрационный номер
ФАКУЛЬТЕТ «БИОМЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНИКА»
КАФЕДРА «БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА АНАЛИЗА ОЛИГОДЕНДРОЦИТОВ НА ИЗОБРАЖЕНИЯХ СРЕЗОВ КОРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА
Автор:
Бирюков Антон Сергеевич, учащийся лицея №1580 (при МГТУ им. Н.Э. Баумана), 11 класс
Научный руководитель:
Самородов Андрей Владимирович, к.т.н., доцент, доцент кафедры Биомедицинских технических систем МГТУ им. Н.Э. Баумана
Москва - 2012
Содержание:
Введение. Цель работы, задачи работы, актуальность……..3
1. Морфологическое строение и структура коры головного мозга……………………………………………………………4
Общие сведения……………………………………….....4
1.2. Особенности строения коры головного мозга у больных шизофренией…………………………………………………..6
2. Разработка алгоритмов анализа изображений срезов коры головного мозга………………………………………………..7
2.1. Блок-схема алгоритма анализа изображений (общий вид)……………………………………………………………..7
2.2. Подробный разбор алгоритма…………………………...8
2.2.1. Алгоритм обнаружения олигодендроцитов…………..8
2.2.2. Алгоритм вычисления характеристик гистограммы расстояний и ее построение………………………………....12
3. Экспериментальные исследования………………………14
Результаты и выводы.
Приложения.
Введение
Цель работы
В Научном центре психического здоровья РАМН была сформулирована гипотеза о взаимосвязи особенностей взаимного расположения олигодендроцитов в коре головного мозга и процессами миелинизации нейронов. Данная гипотеза способна объяснить различия между мозгом здоровых людей и больных шизофренией, у которых миелиновые оболочки, синтезируемые олигодендроцитами, сильно изменены. Для выявления данных отличий необходимо разработать алгоритм и программное обеспечение для объективного анализа изображений срезов головного мозга. Решению данной задачи и посвящена эта работа.
Тема актуальна и представляет интерес для специалистов в данной области, так как до сих пор причины и механизмы развития шизофрении остаются неясными и запутанными. Шизофрения является одной из основных проблем современной психиатрии, имеющей социально-экономическое значение. Данная работа внесет свой вклад в изучение этого психического расстройства, так как структура и функции головного мозга тесно взаимосвязаны. Вполне возможно, что аномалия в расположении олигодендроцитов является одним из факторов развития шизофрении.
Задачи работы.
1) Изучить особенности морфологического строения коры головного мозга.
2) Разработать алгоритм обнаружения олигодендроцитов и нейронов на изображениях.
3) Разработать алгоритм численной оценки особенностей пространственного расположения олигодендроцитов.
4) Разработать специальное программное обеспечение для анализа изображений срезов коры головного мозга.
5) Определить, пригодно ли полученное программное обеспечение для определения расположения олигодендроцитов.
1 Морфологическое строение и структура коры головного мозга
Общие сведения
Кора больших полушарий головного мозга — это часть головного мозга, развившаяся на поздних этапах эволюции животного мира, слой серого вещества толщиной 1,3—4,5 мм, расположенный по периферии полушарий большого мозга, и покрывающий их. Кора головного мозга играет очень важную роль в осуществлении высшей нервной (психической) деятельности. У человека кора составляет в среднем 44% от объёма всего полушария в целом.
Рисунок 1 – Кора головного мозга
Величина и форма борозд подвержены значительным индивидуальным колебаниям, вследствие чего не только мозг различных людей, но даже полушария одной и той же особи по рисунку борозд не вполне похожи.
Кора большого мозга покрывает поверхность полушарий и образует большое количество различных по глубине и протяжённости борозд. Между бороздами расположены различной величины извилины большого мозга.
В каждом полушарии различают следующие поверхности:
- выпуклую верхнелатеральную поверхность, примыкающую к внутренней поверхности костей свода черепа
- нижнюю поверхность, передние и средние отделы которой располагаются на внутренней поверхности основания черепа, в области передней и средней черепных ямок, а задние — на намёте мозжечка
- медиальную поверхность, направленную к продольной щели мозга.
Всю кору полушарий принято разделять на 4 типа: древняя (палеокортекс), старая (архикортекс), новая (неокортекс) и межуточная кора. Поверхность неокортекса у человека занимает 95,6%, старой 2,2%, древней 0,6%, межуточной 1,6%.
Характерной особенностью строения коры является ориентированное, горизонтально-вертикальное распределение составляющих её нервных клеток по слоям и колонкам; таким образом, корковая структура отличается пространственно упорядоченным расположением функционирующих единиц и связей между ними. Функциональные особенности коры обусловливаются распределением нервных клеток и их связей по слоям и колонкам. Основной функциональный элемент коры - воспринимающий центростремительные и посылающий центробежные стимулы длинноаксонный пирамидный нейрон. Эта клетка имеет сложное строение, высоко специализирована и по структуре содержит ядро, тело клетки и отростки. В организме человека насчитывается более ста миллиардов нейронов.
Нервные импульсы идут от тела клетки к органам и другим нервным клеткам по аксонам - отросткам нервной клетки. Благодаря отросткам нейроны контактируют друг с другом и образуют нейронные сети и круги, по которым циркулируют нервные импульсы.
Специфическое микроокружение для нейронов, обеспечивающее условия для генерации и передачи нервных импульсов, а также осуществляющее часть метаболических процессов самого нейрона называется нейроглией, или просто глией. Это сложный комплекс вспомогательных клеток нервной ткани.
Наиболее многочисленной группой глиальных клеток являются олигодендроциты, клетки овальной формы с отростками. Их основная функция — образование миелиновых оболочек вокруг аксонов центральной нервной системы.
Рисунок 2 – Олигодендроглия
Каждый олигодендроцит имеет множество отростков, каждый из которых оборачивает собой часть какого-либо аксона. Тем самым обеспечивается изоляция аксонов. По миелинизированным волокнам импульс проводится приблизительно в 5—10 раз быстрее. Также они принимают активное участие в метаболизме нейронов, удаляют омертвевшие нейроны путем активного поглощения продуктов распада.