To nie jest zdjęcie kosmosu. Naukowcy opracowali najdokładniejszą mapę mózgu w historii

Spis treści:

1. Mysz, która oglądała „Matriksa”
2. Najlepsza mapa mózgu w historii: liczby, które robią wrażenie
3. Nowa mapa mózgu to rewolucja w leczeniu chorób neurologicznych
4. Wielka współpraca naukowa

Naukowcy stworzyli najbardziej szczegółową mapę mózgu ssaka w historii ludzkości. W ramach projektu MICrONS badacze połączyli dane strukturalne i funkcjonalne z niespotykaną dotąd dokładnością. Jeden milimetr sześcienny kory wzrokowej mózgu myszy posłużył do przedstawienia struktury 84 tys. neuronów skomunikowanych za pomocą 523 milionów synaps i około 5,4 km połączeń, tworzących niesamowicie złożoną siatkę.

Projekt ma ogromny potencjał w kontekście leczenia chorób neurologicznych oraz badań nad świadomością i sztuczną inteligencją. Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym „Nature”.

Mysz, która oglądała „Matriksa”

Żeby stworzyć tę spektakularną i jedyną w swoim rodzaju mapę, naukowcy najpierw zarejestrowali aktywność mózgu myszy podczas oglądania filmów w serwisie YouTube. Były wśród nich fragmenty słynnego „Matrix” rodzeństwa Wachowskich. Brzmi absurdalnie? Nic bardziej mylnego.

Pobudzenie neuronów w korze wzrokowej zwierzaka podczas śledzenia dynamicznie zmieniających się obrazów zostało zarejestrowane z niezwykłą precyzją. Było to możliwe, ponieważ neurony zmodyfikowano genetycznie tak, aby emitowały światło podczas pobudzenia. To pozwoliło zrozumieć, które komórki nerwowe reagują na konkretne bodźce i jak ze sobą współpracują.

Badacze następnie:

• pobrali fragment tkanki mózgowej wielkości ziarenka piasku,
• pokroili go na 25 tys. ultracienkich warstw (każda o szerokości 1/400 ludzkiego włosa),
• zeskanowali każdą z warstw mikroskopem elektronowym,
• odtworzyli trójwymiarowy model mózgu za pomocą sztucznej inteligencji.

Dzięki temu powstała pierwsza w historii mapa mózgu ssaka, która uwidacznia, jak poszczególne neurony nie tylko wyglądają, ale i jak ze sobą współpracują.

Najlepsza mapa mózgu w historii: liczby, które robią wrażenie

Ponad 200 tys. komórek (w tym 82 tys. neuronów). 523 mln synaps. 5,4 km połączeń neuronalnych. Łącznie 1,6 petabajta danych (jak podaje Allen Institute – instytut badań biologicznych non-profit z siedzibą w Seattle – to odpowiednik 22 lat nieprzerwanego oglądania filmów w jakości HD). Wszystko to w jednym milimetrze sześciennym kory wzrokowej myszy. Te spektakularne liczby obrazują doniosłość projektu.

Badanie ujawniło m.in. nowe typy komórek, nieznane wcześniej zasady organizacji i zaskakujące zachowania neuronów hamujących. Dotychczas uważano, że komórki hamujące po prostu „tłumią” aktywność innych. Tymczasem okazało się, że działają wysoce selektywnie, tworząc złożony system precyzyjnej regulacji aktywności mózgu.

Nowa mapa mózgu to rewolucja w leczeniu chorób neurologicznych

Nie bez powodu osiągnięcie amerykańskich naukowców zostało okrzyknięte przełomowym dla neurobiologii. Jego znaczenie jest porównywalne do projektu poznania ludzkiego genomu (HGP, z ang. Human Genome Project). Po raz pierwszy badaczom udało się nałożyć aktywność neuronów na mapę ich połączeń w tak dużej skali.

To, co jeszcze kilka dekad temu uważano za niemożliwe (jak twierdził słynny biolog i laureat Nagrody Nobla Francis Crick w 1979 roku), dziś stało się rzeczywistością. Mapa stworzona na podstawie jednego milimetra sześciennego mózgu to nie tylko imponujący diagram. To krok w stronę zrozumienia myśli, emocji i świadomości.

„To przyszłość neuronauki” – podkreśla Andreas Tolias z Uniwersytetu Stanforda. – „Na podstawie takich danych możemy tworzyć modele mózgu, które łączą dane na poziomie behawioralnym, neuronalnym i molekularnym”. „Jeśli masz uszkodzone radio i schemat jego obwodów – jesteś w stanie je naprawić. To samo dotyczy mózgu” – twierdzi z kolei Nuno da Costa z Allen Institute. Jego zdaniem nowa mapa może być kluczem do:

• lepszego zrozumienia choroby Alzheimera, Parkinsona, schizofrenii czy autyzmu,
• stworzenia dokładniejszych modeli chorób i terapii,
• rozwoju neurologii obliczeniowej i sztucznej inteligencji.

Wielka współpraca naukowa

Dane zebrano i udostępniono społeczności naukowej w ramach otwartej platformy MICrONS Explorer. W projekt zaangażowanych było ponad 150 badaczy z tak prestiżowych instytucji jak:

• Allen Institute for Brain Science,
• Baylor College of Medicine,
• Uniwersytet Princeton,
• Uniwersytet Stanforda,
• Uniwersytet Harvarda.

Całość została sfinansowana przez amerykańskie agencje rządowe, w tym IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity) oraz The BRAIN Initiative – program wspierający innowacyjne badania neurologiczne.

Choć mapa obejmuje zaledwie maleńki fragment mózgu myszy, otwiera drogę do tworzenia modeli całych mózgów, także ludzkich. Naukowcy zapowiadają kolejne etapy projektu i marzą o tym, by rozszerzyć badania na inne gatunki. Wizja stworzenia pełnej mapy ludzkiego mózgu – łączącej poznanie jego struktury i funkcji – nie jest już fantastyką naukową, lecz realnym celem.

I pomyśleć, że wszystko to było możliwe dzięki myszy oglądającej filmiki YouTube!

Źródło: NIH