Zespół kierowany przez wybitnych naukowców z Harvardu i Google dokonał przełomowego osiągnięcia, tworząc trójwymiarową mapę, która przedstawia pojedynczy sześcienny milimetr ludzkiego mózgu. Chociaż mapa obejmuje zaledwie niewielki fragment tego potwornie złożonego i wciąż tajemniczego dla nas organu, to jednak zawiera imponującą, niespotykaną dotąd ilość szczegółów.
W mikroskopijnej części mózgu zidentyfikowano około pięćdziesiąt siedem tysięcy komórek, daje to niespotykany dotąd wgląd w różnorodność i złożoność neuronów oraz komórek glejowych, które wspierają i chronią neurony. Ponadto mapa ukazuje około dwieście trzydzieści milimetrów naczyń krwionośnych, które tworzą gęstą sieć kapilar lub inaczej naczyń włosowatych, odgrywających kluczową rolę w dostarczaniu tlenu i składników odżywczych do każdej komórki mózgowej oraz w usuwaniu produktów przemiany materii.
Najbardziej zdumiewająca jest jednak liczba synaps, czyli połączeń między neuronami, która oszacowano na około sto pięćdziesiąt milionów, co świadczy o ogromnej gęstości połączeń synaptycznych w tak niewielkiej objętości tkanki. Te synapsy są podstawą komunikacji między neuronami, umożliwiając przesyłanie impulsów nerwowych i tworzenie sieci, które leżą u podstaw procesów myślowych, pamięci i uczenia się.
Najnowsze filmy
To niezwykłe osiągnięcie stanowi obecnie najbardziej szczegółowy obraz ludzkiego mózgu, jaki kiedykolwiek stworzono. Wykorzystując najnowocześniejsze technologie mikroskopowe, takie jak mikroskopia elektronowa o wysokiej rozdzielczości, oraz zaawansowane algorytmy przetwarzania danych opracowane przez ekspertów z Google, naukowcom udało się więc uchwycić nie tylko struktury komórkowe, ale także skomplikowane sieci połączeń, które najprawdopodobniej leżą u podstaw ludzkiej świadomości, myślenia i percepcji. Działanie ludzkiego mózgu zaczyna powoli odkrywać przed nami swoje karty.
Tak precyzyjna mapa otwiera nowe możliwości w badaniach neurologicznych, umożliwiając głębsze zrozumienie funkcjonowania mózgu, mechanizmów chorób neurologicznych oraz potencjalnych dróg do ich leczenia. Może również przyczynić się do rozwoju nowych terapii dla schorzeń takich jak choroba Alzheimera, Parkinsona czy schizofrenia.
Aby stworzyć tak szczegółową mapę, zespół musiał podjąć niezwykle skomplikowane i precyzyjne działania. Pierwszym etapem było pocięcie próbki tkanki na pięć tysięcy ultracienkich przekrojów, z których każdy miał grubość zaledwie kilkudziesięciu nanometrów. Te delikatne skrawki następnie zeskanowano za pomocą mikroskopu elektronowego, co pozwoliło na uzyskanie obrazów o wyjątkowo wysokiej rozdzielczości, pozwalających na dostrzeżenie najdrobniejszych szczegółów strukturalnych.
Po uzyskaniu surowych obrazów, kolejnym wyzwaniem było połączenie tych tysięcy przekrojów w jedną spójną, trójwymiarową mapę. Do tego zadania zespół użył zaawansowanego modelu uczenia maszynowego, który automatycznie łączył przekroje i oznaczał ich cechy, takie jak różnorodne typy komórek, sieci naczyń krwionośnych oraz gęste sieci synaps. Proces ten wymagał niezwykłej precyzji i dużej mocy obliczeniowej, aby zapewnić, że każdy element został prawidłowo zidentyfikowany i zrekonstruowany w trójwymiarowej przestrzeni.
Sam zestaw surowych danych zajmował aż jeden i cztery dziesiąte petabajta, dla przypomnienia dodam tylko, że petabajt to tysiąc terabajtów lub milion gigabajtów. Jak więc widzicie, danych było naprawdę sporo. Przetwarzanie tak olbrzymiej ilości danych wykorzystując modele uczenia maszynowego było wyzwaniem wymagającym zastosowania zaawansowanych technologii serwerowych oraz zoptymalizowanych algorytmów przetwarzania danych.
Jak stwierdził Michael Hawrylycz, neurobiolog obliczeniowy z Allen Institute for Brain Science była to prawdopodobnie najbardziej komputerowo intensywna praca w całej historii neuronauki.
Oprócz samego procesu skanowania i rekonstrukcji, równie ważnym elementem było przetwarzanie i analiza danych. Zastosowanie algorytmów sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego pozwoliło na automatyczne oznaczanie i klasyfikację różnych struktur w mózgu, co znacznie przyspieszyło cały proces.
Efektem tych wysiłków jest ta niezwykła mapa, którą widzicie teraz na ekranach, i która dostarcza nie tylko nowych informacji na temat mikrostruktury ludzkiego mózgu, ale także ustanawia nowe standardy w badaniach neurobiologicznych, otwierając drzwi do kolejnych odkryć i innowacji. Może stać się kluczowym narzędziem w przyszłych badaniach nad chorobami neurologicznymi, wspierając rozwój nowych terapii i pogłębiając nasze zrozumienie funkcjonowania mózgu na poziomie komórkowym i molekularnym.
Istnieje oczywiście wiele innych podobnych map komórek mózgowych, jednak większość z nich dostarcza danych o znacznie niższej rozdzielczości.
Mapy mózgu występują w różnych formach i spełniają różnorakie funkcje. Niektóre z nich pokazują, jak zorganizowane są komórki, inne z kolei skupiają się na ekspresji genów. Ta koncentruje się na połączeniach między komórkami. Zewnętrzna warstwa mózgu, czyli kora mózgowa, zawiera około szesnastu miliardów neuronów, które łączą się ze sobą, tworząc biliony połączeń. Pojedynczy neuron może odbierać informacje od setek, a nawet tysięcy innych neuronów i wysyłać informacje do podobnej liczby. Śledzenie tych połączeń jest niezwykle skomplikowanym zadaniem, nawet w tak małym, milimetrowym fragmencie mózgu. Dzięki mapie w nanoskali naukowcy mogą szczegółowo przeanalizować, jak neurony komunikują się ze sobą na poziomie synaptycznym, co jest kluczowe do zrozumienia, jak mózg przetwarza informacje, jak tworzą się ścieżki pamięci, jak powstają wzorce aktywności neuronalnej, jakie mechanizmy leżą u podstaw procesów kognitywnych oraz to jak te procesy mogą być zaburzone w wyniku różnych chorób neurologicznych.
Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!W miarę jak technologia i metody analityczne będą się rozwijać, mapy o nanoskali mogą stać się standardem w badaniach nad mózgiem, oferując bezprecedensowy poziom szczegółowości i umożliwiając nowe podejścia do diagnozowania i leczenia chorób mózgu. Dodatkowo, dostępność tak szczegółowych map może inspirować do tworzenia nowych narzędzi i technik, które jeszcze bardziej przyspieszą i ułatwią badania.
Ponadto, wiedza zdobyta dzięki takim badaniom może mieć szerokie zastosowanie również w terapii genowej, gdzie zrozumienie precyzyjnych połączeń neuronalnych może pomóc w opracowywaniu bardziej efektywnych metod leczenia uszkodzeń mózgu. Kolejna sprawa to rozwój technologii interfejsów mózg-komputer, które mają potencjał zrewolucjonizować sposób, w jaki komunikujemy się z maszynami i jak możemy wykorzystywać technologię do wspomagania funkcji mózgowych. Można być zwolennikiem lub przeciwnikiem takich technologii, jednak pewne rozwiązania w tej dziedzinie są dostępne już dziś czego dowodem jest chociażby należąca do Elona Muska firma Neuralink. I prawdopodobnie kiedyś, w przyszłości bliższej lub dalszej, połączenie mózg-komputer, albo chociaż mózg wspomagany w jakiś sposób technologią będą czymś na porządku dziennym, tak jak dziś na przykład smartfony czy sztuczna inteligencja.
Wracając jednak do samego badania, aby stworzyć tak niezwykle szczegółową mapę, zespół musiał pokonać wiele przeszkód. Pierwszym problemem było znalezienie odpowiedniej próbki tkanki mózgowej. Mózg bardzo szybko ulega degradacji po śmierci, co sprawia, że tkanka osób zmarłych nie jest użyteczna do tego typu badań. Zamiast tego zespół użył kawałek tkanki usuniętej podczas operacji mózgu u kobiety cierpiącej na padaczkę. Operacja miała na celu kontrolę jej napadów, a usunięta tkanka została uznana za odpowiednią do badań.
Po zdobyciu próbki, badacze musieli starannie zakonserwować ją w żywicy epoksydowej. Proces ten był kluczowy, aby możliwe było późniejsze pocięcie próbki na ultra cienkie przekroje, z których każdy miał grubość około jednej tysięcznej ludzkiego włosa.
Mapa, która jest dostępna na platformie internetowej Neuroglancer, została stworzona z myślą o tym, aby stać się zasobem dla innych badaczy, umożliwiając im dokonywanie własnych odkryć. Jak stwierdził współautor badań Viren Jain z Google – „Teraz każdy, kto jest zainteresowany badaniem ludzkiej kory mózgowej na tym poziomie szczegółowości, może samodzielnie przeanalizować dane. Można samodzielnie sprawdzać pewne struktury, aby upewnić się, że wszystko jest poprawne, a następnie publikować własne odkrycia”
Zespół badawczy już zidentyfikował kilka niespodzianek. Na przykład odkryto, że niektóre z długich włókien, które przenoszą sygnały z jednego neuronu do drugiego, tworzyły „zwoje”, czyli miejsca, w których włókna zwijały się same wokół siebie. Zazwyczaj aksony tworzą pojedynczą synapsę, aby przekazać informacje do następnej komórki, jednak zespół zidentyfikował pojedyncze aksony, które tworzyły wielokrotne połączenia — w niektórych przypadkach nawet pięćdziesiąt oddzielnych synaps. Chociaż nie jest jeszcze jasne, dlaczego tak się dzieje, silne połączenia mogą pomagać w bardzo szybkich lub silnych reakcjach na określone bodźce.
Z kolei Jeff Lichtman, neurobiolog z Harvardu, który był jednym z członków zespołu badawczego powiedział, że w tym co zobaczyli, było wiele rzeczy, które są niezgodne z tym, co można przeczytać w podręczniku. Co tylko pokazuje, jak wiele jeszcze nie wiemy o jednym z najważniejszych organów w ludzkim ciele. I chociaż naukowcy mogą nie mieć jeszcze zestawu gotowych wyjaśnień dla tego, co widzą, to mają wiele nowych pytań, na które w końcu trzeba będzie znaleźć odpowiedzi, no i cóż, tak właśnie nauka posuwa się naprzód.
