A Google és a Harvard bemutatja az emberi agy valaha volt legrészletesebb térképét | EatchbQ

A Google és a Harvard bemutatja az emberi agy valaha volt legrészletesebb térképét

Iratkozzon fel a CNN Wonder Theory tudományos hírlevelére. Fedezze fel az univerzumot lenyűgöző felfedezésekről, tudományos eredményekről és egyebekről szóló hírek segítségével.



CNN

Tíz évvel ezelőtt dr. Jeff Lichtman – a Harvard Egyetem molekuláris és sejtbiológia professzora – egy kis agy tesztet a laboratóriumában.

Bár kicsi volt, elég nagy volt 1 köbmilliméternyi szövet számára tartalmaz 57 000 sejt, 230 milliméternyi véredény és 150 millió szinapszis.

“Kisebb volt, mint egy rizsszem, de elkezdtük vágni és nézegetni, és nagyon szép volt” – mondta. “De ahogy felhalmoztuk az adatokat, rájöttem, hogy sokkal-sokkal többünk van, mint amennyit el tudtunk kezelni.”

Végül Lichtman és csapata 1400 terabájtnyi adatot kapott a mintából – kb. több mint 1 milliárd könyv tartalma. Most, miután a laboratóriumi csapat több évtizede szorosan együttműködött a Google tudósaival, ezek az adatok a valaha készített legrészletesebb emberi agyminta térképévé váltak.

Az agyminta egy súlyos epilepsziás betegtől származott. Lichtman szerint szokásos eljárás az agy egy kis részének eltávolítása a rohamok leállítása érdekében, majd megvizsgálják a szövetet, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy az normális. “De anonim volt, így szinte semmit sem tudtam a páciensről, csak a korát és a nemét” – mondta.

A minta elemzéséhez Lichtman és csapata először vékony szeletekre vágta egy gyémánt élű késsel. A metszeteket ezután kemény gyantába ágyazták, és ismét nagyon vékonyra szeletelték. “Körülbelül 30 nanométer, vagyis körülbelül 1000 emberi haj vastagsága. Nagyrészt láthatatlanok lennének, ha nem festettük volna meg őket nehézfémekkel, ami láthatóvá tette őket az elektronképalkotás során” – mondta. .

A csapat végül több ezer szelethez jutott, amelyeket egy egyedi készítésű szalaggal felszedtek, így egyfajta filmszalagot hoztak létre: “Ha mindegyik részt lefényképezed, és egymáshoz igazítod, egy háromdimenziós szeletet kapsz az agy mikroszkopikus szinten.”

Google Research & Lichtman Lab/Harvard Egyetem

A fenti 3D-s képen a serkentő neuronok láthatók a mélységüknek megfelelően az agy felszínéről. A kék neuronok azok, amelyek a legközelebb vannak a felszínhez, és a fukszia jelzi a legbelső réteget.

Ekkor jöttek rá a kutatók, hogy segítségre van szükségük az adatokkal kapcsolatban, mert a keletkező képek jelentős tárhelyet foglalnának el.

Lichtman tudta, hogy a Google egy digitális térképen dolgozik gyümölcslégy agya2019-ben jelent meg, és a munkához megfelelő számítógépes hardverrel rendelkezett. Felvette a kapcsolatot Viren Jainnel, a Google vezető kutatójával, aki a gyümölcslégy-projekten dolgozott.

“300 millió különálló kép volt (a Harvard adatai szerint)” – mondta Jain. “Az teszi annyi adatot, hogy nagyon nagy felbontásban, egy egyéni szinapszis szintjén készítesz képeket. És csak abban a kis agyszövetmintában 150 millió szinapszis volt.”

A képek értelmezéséhez a kutatóknak sikerült A Google mesterséges intelligencia alapú feldolgozást és elemzést használt annak megállapítására, hogy milyen típusú cellák találhatók az egyes képeken, és hogyan kapcsolták őket össze. Az eredmény az agyszövet interaktív 3D-s modellje és a valaha készült legnagyobb adathalmaz, amely az emberi agy szerkezetének ilyen felbontásával készült. A Google a következő néven tette elérhetővé az interneten:Neuroglancer“, és egy tanulmány megjelent a folyóiratban Tudomány ugyanakkor Lichtmannel és Jainnel a társszerzők között.

Az agy megértése

A Harvard és a Google csapata közötti együttműködés eredményeként olyan színes képek születtek, amelyek láthatóbbá teszik az egyes komponenseket, de egyébként a szövet valódi reprezentációi.

“A színek teljesen önkényesek” – magyarázta Jain -, de ezen túlmenően nincs itt sok művészi engedély. Ennek az egésznek az a lényege, hogy nem mi találjuk ki – az igazi neuronok, az igazi vezetékek vannak benne. ezt az agyat, és valójában csak gyakorlatiassá és hozzáférhetővé tesszük a biológusok számára, hogy lássák és tanulmányozhassák.”

Az adatok tartalmaztak néhány meglepetést. Például ahelyett, hogy egyetlen kapcsolatot hoznának létre, a neuronpároknak több mint 50. “Olyan ez, mintha egy háztömbön lévő két házat 50 különálló telefonvonal kötné össze. Mi történik ott? Miért kapcsolódnak egymáshoz olyan szorosan? Egyelőre nem tudjuk, mi ennek a jelenségnek a funkciója vagy jelentősége, tovább kell vizsgálnunk” – mondta.

Lichtman szerint végül az agy ilyen részletességű megfigyelése segíthet a kutatóknak a megoldatlan egészségügyi állapotok megértésében.

“Mit jelent megérteni az agyunkat? Talán a legjobb, amit tehetünk, ha leírjuk, és reméljük, hogy ezekből a leírásokból kirajzolódik valami felismerés, például arról, hogy miben különbözik a normális agy a zavart agytól, felnőttkori pszichiátriai betegségekben, ill. olyan fejlődési rendellenességek, mint az autizmus spektrum – ez a fajta összehasonlítás nagyon értékes lesz” – mondta kétségei.

Lichtman emellett úgy véli, hogy az adatkészlet tele lehet más elképesztő részletekkel is, amelyeket méretük miatt még nem fedeztek fel: “És ezért osztjuk meg online, hogy mindenki megnézhesse és megtalálhassa a dolgokat” – tette hozzá. .

Google Research & Lichtman Lab/Harvard Egyetem

Egyetlen neuron (fehér), amelyhez 5600 axon (kék) kapcsolódik. Az ezeket a kapcsolatokat létrehozó szinapszisok zöld színnel jelennek meg. A neuron sejtteste (a központi mag) körülbelül 14 mikrométer átmérőjű.

Ezután a projekt mögött álló csapat célja egy teljes egéragytérkép elkészítése, amelyhez az emberi agymintából származó adatmennyiség 500-1000-szeresére lenne szükség.

“Ez 1 exabájtot jelentene, ami 1000 petabájt” – mondta Lichtman. „Sokan alaposan átgondolják, hogyan fogjuk ezt megtenni, és az elvek ötéves bizonyításának első évében járunk. Azt hiszem, vízválasztó pillanat lenne az idegtudomány számára, ha teljes emlősagyi kapcsolási rajza lenne; sok-sok kérdésre választ adna. És persze ez még sok problémát feltárna, olyan dolgokat, amikre nem számítottunk.”

Mit szólnál egy egész emberi agy feltérképezéséhez? Ez további 1000-szer nagyobb lenne, magyarázta Lichtman, ami azt jelenti, hogy az adatok összege 1 zettabájt. 2016-ban ez volt az egész évi internetes forgalom nagysága, a Cisco szerint. Lichtman szerint jelenleg nem csak ennyi adat tárolása lenne nehéz, de etikailag sem lenne elfogadható módja egy érintetlen, jól megőrzött emberi agy megszerzésének.

Az azonos területen dolgozó kutatók, akik nem vettek részt a munkában, lelkesedésüket fejezték ki, amikor a CNN megkereste őket véleménynyilvánítás céljából.

“Ez a tanulmány csodálatos, és nagyon sokat lehet tanulni az ilyen adatokból” – mondta Michael Bienkowski, a Dél-Kaliforniai Egyetem Keck Orvostudományi Karának fiziológiai és idegtudományi adjunktusa.

“Amit az emberi agyról úgy gondolunk, sok mindent extrapolálunk, de az ehhez hasonló kutatások kulcsfontosságúak annak feltárásához, hogy mi tesz minket igazán emberré. A neuronok és más agysejtek megjelenítése nagy kihívást jelent puszta sűrűségük és összetettségük miatt. a jelenlegi adatkészlet nem rögzíti a hosszabb hatótávolságú kapcsolatokat” – mondta Bienkowski.

“Milyen más agyi régiókból származnak ezek a bemenetek, és hová megy a kimenet, amikor elhagyják a területet? De látni ezeket a különböző sejttípusokat és kölcsönhatásaikat hihetetlen, és értékelni lehet, hogy az építészet remekműve mit adott nekünk” – tette hozzá. ő.

Andreas Tolias, a kaliforniai Stanford Egyetem szemészeti professzora egyetértett. “Ez egy figyelemre méltó technikai tanulmány, amely nagy felbontásban rekonstruálja az emberi kéreg szerkezetét” – mondta. “Különösen izgatott volt a ritka axonok felfedezése, amelyek akár 50 szinapszis kialakítására is képesek. Ez a felfedezés izgalmas, és fontos kérdéseket vet fel számítási szerepükkel kapcsolatban.”

D. Berger/Harvard Egyetem

A renderelés az agyminta egy részének összes gerjesztő (piramisszerű) neuronját mutatja, különböző nagyítási és dőlési fokozatokban. Méret szerint vannak színezve; a sejtek sejttestének (a központi magjának) átmérője 15 és 30 mikrométer között változik.

Olaf Sporns idegkutató szerint az agytérképezési projekt megnyitja az ajtót a jövőbeli tanulmányok előtt.

“Minden emberi agy több milliárd idegsejt hatalmas hálózata” – mondta Sporns, az Indiana Egyetem pszichológia és agytudomány kiváló professzora. “Ez a hálózat lehetővé teszi a sejtek számára, hogy nagyon specifikus minták szerint kommunikáljanak, amelyek alapvetőek a memóriához, a gondolkodáshoz és a viselkedéshez. Ennek a hálózatnak, az emberi kapcsolatnak a feltérképezése kulcsfontosságú az agy működésének kiderítéséhez” – tette hozzá, megjegyezve, hogy a tanulmány újat jelent. e fontos cél felé, és izgalmas új lehetőségeket kínál a feltárásra és felfedezésre.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *