3D реконструкция на мозъка показва детайлно клетки и невронни връзки

Акценти

Екипът на проф. Джеф Лихтман от Харвард и изследователи от Google Research създават най-голямата 3D реконструкция на мозъка, която демонстрира в детайлно и ярко всяка клетка и мрежа й от връзки в едно парче от темпоралния кортекс с размера на половинка оризово зърно.

Детайлите в мозъчната реконструкция

Един кубичен милиметър мозъчна тъкан сякаш не звучи много, но на тази повърхност са разположени 57 000 клетки, 230 милиметра кръвоносни съдове и 150 000 000 синапса. Всичко това е равно на 1400 терабайта данни и в този смисъл изследователите успяват да постигнат нещо, което е наистина невероятно.

„Един терабайт се възприема като нещо гигантско, но то е само фрагмент от човешкия мозък. Само една миниатюрна, мъничка частица от него, а в мозъка има хиляди терабайти“, казва проф. Лихтман, специалист по молекулярна и клетъчна биология.

Това наистина невероятно изображение е комбинация от електронни микроскопски изображения с алгоритми за изкуствен интелект за цветно кодиране и реконструиране на изключително сложната мозъчна структура на бозайниците.

Картата разкрива невиждани до момента подробности от структурата на мозъка, сред които и рядък и мощен набор от аксони, свързани с 50 синапса.

Учените отбелязват наличието на странности в тъканта - малко на брой аксони, образуващи обширни спирали. В този случай пробата е взета от пациент с епилепсия и затова изследователите не знаят дали подобни образувания са патологични или просто са много редки.

>>>Модел на конволюционна невронна мрежа имитира функциите на мозъка

„Въпреки че функциите, които биват изпълнявани от повечето жизненоважни органи при хората, не се различават много в сравнение с животните, изпълняваните от човешкия мозък ни отделят ясно от останалия живот на планетата. Липсват подробни познания относно синаптичните вериги, които са в основата на функцията на човешкия мозък. Вече съществуват подходи за свързване на изображения, които показват невронни вериги в достатъчно голям обем и висока разделителна способност за изследване на свързаността на ниво отделни неврони и техните синаптични връзки, но в мащаб, който включва хиляди неврони. Генерирането на подобен набор от данни беше целта на този проект“, пишат авторите в статията с резултатите, публикувана в списание Science.

Една от сферите на дейност на проф. Лихтман е конектомиката, която се стреми да създаде изчерпателни каталози на структурата на мозъка, прецизни до степен на изображение на отделните клетки. Когато бъдат завършени тези карти със сигурност ще отворят вратата към прозрения за функцията на мозъка и за болестите, за които учените знаят все още твърде малко.

>>>Карта показва прекъсването на невронните връзки в мозъка

Съвременните алгоритми на изкуствен интелект на Google позволяват реконструкцията и картографирането на мозъчната тъкан в три измерения. Това помага много за детайлното и прецизно осъществяване на идеята. Екипът създава още и набор от публично достъпни инструменти, които изследователите могат за използват, за да изследват конектома (невронна мрежа в мозъка).

За проекта

Най-новата разработка е резултат от сътрудничество между учените от Харвард и Google Research, което продължава десет години. Сред останалите автори на разработката са Алекзандър Шапсън-Коу и Даниел Бъргър от Харвард и Михал Янушевски от Google Research.

Настоящите и бъдещите изследвания са подкрепени от Националния институт по здравеопазване и инициативата му BRAIN.

Голямата цел е да бъде създадена подробна карта с висока разделителна способност на невронните връзки на мишка, която ще включва количество данни близо 1000 пъти повече в сравнение с току-що създадената от 1 кубически милиметър фрагмент от човешката мозъчна кора.

Подобно на проекта, посветен на човешкия геном, който описва и подрежда всеки ген и неговата уникална ДНК последователност, конектомът на Лихтман ще се превърне в изчерпателна карта на всяка невронна връзка с мозъка

>>>Изкуствен интелект определя гените, които изграждат човешкия скелет

Сега екипът започва работа по изобразяването на област от 10 кубични милиметра в хипокампа на мишката, частта от мозъка, която е отговорна за паметта, ориентирането в пространството и други сложни задачи, но и е свързана с неврологичните заболявания.

Учените подчертават, че мозъкът на мишката е много по-малък от този на човека, но когато се наблюдават отделните неврони, синаптичните везикули и глиални клетки не може да се направи разлика, защото на ниво клетки и синапси мозъците на всички бозайници са по същество еднакви.

Проф. Джеф Лихтман сравнява човешкия мозък с магистрала, заплетена от жици. Причината са стоте милиарда неврони, които контактуват и общуват чрез трилиони кръстовища, наречени синапси. „Единственият начин да разберем магистралата, е да създадем карта“, казва специалистът, който от десетилетия работи по изготвянето на подобни карти и е пионер в областта от науката, наречена конектомика.

Създаването на конектом на човешкия мозък ще даде възможност за нови подходи при диагностицирането и лечението на мозъчните разстройства – от аутизъм до шизофрения. Изследователите подозират, че тези заболявания представляват фини и неправилни невронни връзки, които сканирането на мозъка не е в състояние да открие

>>>Неврони на плъхове са присадени в мозъка на химерни мишки

Според проф. Лихтман единственият път е конектомиката. „Ако стигнем до момента, в който работата с целия мозък на една мишка се превърне в рутина, тогава вече бихме могли да го направим при животински модел на аутизъм. Има ниво на разбиране за мозъка, което не съществува. Знаем за външните прояви на поведение, знаем и за нарушените молекули, но схемите между тях нямаше начин да видим. Сега вече това е възможно“, казва проф. Лихтман.