Milimetr sześcienny ludzkiego mózgu zobrazowany z niespotykaną dotąd szczegółowością

Wykorzystując najnowsze techniki obrazowania w połączeniu z algorytmami sztucznej inteligencji, naukowcy zmapowali maleńki fragment ludzkiej tkanki mózgowej. Okazuje się, że w skrawku mózgu o wielkości zaledwie milimetra sześciennego znajduje się 57 tys. komórek i 150 milionów synaps. Powstały w badaniach model pozwolił na zidentyfikowanie nieznanych wcześniej cech ludzkiego mózgu.

Aby w pełni zrozumieć działanie ludzkiego mózgu, konieczna jest znajomość jego struktury i to na poziomie subkomórkowym. Jednak obecnie brakuje szczegółowej wiedzy na temat obwodów synaptycznych leżących u podstaw funkcjonowania narządu. Duży krok w tym kierunku wykonali naukowcy z Harvardu, którzy połączyli siły z ekspertami w dziedzinie uczenia maszynowego z Google. Wykorzystując mikroskop elektronowy, badacze zmapowali milimetr sześcienny ludzkiej tkanki mózgowej usuniętej z kory mózgowej 45-letniej kobiety podczas operacji leczenia padaczki, w celu uzyskania dostępu do zmiany chorobowej.

Prace te pokazały z niespotykaną dotychczas szczegółowością każdą komórkę i jej sieć połączeń nerwowych, ujawniając nieznane dotąd wzorce i schematy. Ich opis ukazał się na łamach pisma "Science".

Obrazowanie malutkiego kawałka mózgu wygenerowało 1,4 petabajta danych. Danymi z obrazowania zostały "nakarmione" algorytmy sztucznej inteligencji. Wszystko po to,by ułatwić badaczom rozszyfrowanie zebranych informacji. Ostatecznym celem projektu jest stworzenie mapy połączeń neuronowych o wysokiej rozdzielczości całego ludzkiego mózgu. Jednak obecnie wydaje się to przekraczać możliwości badaczy, dlatego najpierw zamierzają skupić się na mózgu myszy.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Pozyskany milimetr sześcienny mózgu został pocięty na około 5000 plasterków – każdy o grubości zaledwie 34 nanometrów. Plasterki te zostały następnie zanurzone w środkach konserwujących. Zabarwiono je też metalami ciężkimi, aby komórki były lepiej widoczne. Każdemu z plasterków zrobiono zdjęcie. W tym momencie do akcji wkroczyli uczeni z Google. Zbudowali modele sztucznej inteligencji, które były w stanie połączyć obrazy mikroskopowe w celu zrekonstruowania całej próbki w 3D, ujawniając ścieżki neuronów oraz innych cechy.

- W tym zbiorze danych znaleźliśmy wiele rzeczy, których nie ma w podręcznikach – mówi Jeff Lichtman z Uniwersytetu Harvarda, który kierował badaniami. - Nie rozumiemy ich, ale mogę powiedzieć, że dane sugerują istnieje przepaści między tym, co już wiemy, a tym, co powinniśmy wiedzieć – dodaje.

Ludzki mózg jest niezwykle złożony. Analizowany fragment w sumie zawiera około 57 tys. komórek, około 230 milimetrów naczyń krwionośnych i około 150 milionów synaps, a przecież w całym mózgu znajdują się miliardy neuronów wysyłających sygnały tam i z powrotem za pośrednictwem bilionów synaps.

- Ogólnie rzecz biorąc, między dwoma neuronami można znaleźć co najwyżej kilka połączeń – mówi Viren Jain, neurolog z Google. Tymczasem analizując szczegółowo model 3D, naukowcy odkryli neurony, które tworzą między sobą nawet 50 połączeń.

W całym kawałku tkanki mózgowej ponad 96 proc. aksonów - maleńkich włókien łączących komórki nerwowe i umożliwiających im komunikowanie się ze sobą, utworzyło tylko jedno połączenie z komórką docelową, a 3 proc. utworzyło dwa połączenia. Ale pozostała garstka nawiązała dziesiątki połączeń, a w jednym przypadku ponad 50, z pobliską komórką.

Badacze zaobserwowali też, że tak zwane neurony piramidowe, których podstawy wystają z dendrytów, wykazywały osobliwą symetrię – niektóre były skierowane do przodu, a inne do tyłu. Uczeni dostrzegli również, że w analizowanej próbce komórki glejowe przewyższały liczbę neuronów w stosunku 2:1. Najpowszechniejszym rodzajem komórek były oligodendrocyty – specyficzne komórki gleju, które tworzą osłonę mielinową na aksonach.

Zespół udostępnił stworzony model bezpłatnie innym badaczom. Głębsze zrozumienie działania kory mózgowej może dostarczyć wskazówek dotyczących leczenia niektórych chorób psychicznych i neurodegeneracyjnych. Ale próbkę pobrano od pacjentki chorej na padaczkę, dlatego badacze nie są pewni, czy zaobserwowane struktury są normalne czy powstały w wyniku choroby. - Ta mapa dostarcza bezprecedensowych szczegółów, które mogą ujawnić zasady połączeń neuronowych i pomóc rozszyfrować funkcjonowanie ludzkiego mózgu – mówi Yongsoo Kim, neurolog z Pennsylvania State University w Hershey, który nie był zaangażowany w badania.

Źródło: Harvard University, Nature