Mapa ludzkiego mózgu zawiera nieznane dotąd szczegóły jego struktury

Sześć warstw neuronów pobudzających zakodowanych kolorami według głębokości. Źródło: Google Research i Lichtman Lab.

Milimetr sześcienny tkanki mózgowej może wydawać się niczym szczególnym. Biorąc jednak pod uwagę, że taki kawałek zawiera 57 000 komórek, 230 milimetrów naczyń krwionośnych i 150 milionów synaps, co składa się na 1400 terabajtów danych, badacze z Harvardu i Google właśnie dokonali czegoś wielkiego. Zespół z Harvardu pod kierunkiem Jeffa Lichtmana, profesora biologii molekularnej i komórkowej oraz nowo mianowanego dziekana podwydziału nauk ścisłych, współtworzył z badaczami Google największą dotychczas rekonstrukcję 3D kawałka ludzkiego mózgu o rozdzielczości pozwalającej na dostrzeżenie pojedyńczych synaps, pokazując w najdrobniejszych szczegółach każdą komórkę i jej sieć połączeń nerwowych we fragmencie ludzkiej kory skroniowej o wielkości około połowy ziarna ryżu.
Wyczyn, opublikowany w „Science”, jest najnowszym w prawie 10-letniej współpracy z naukowcami z Google Research, którzy łączą obrazowanie mikroskopii elektronowej Lichtmana z algorytmami sztucznej inteligencji, aby kodować kolorami i rekonstruować niezwykle złożone budowy mózgów ssaków. Trzema współautorami artykułu są były badacz podoktorancki z Harvardu Alexander Shapson-Coe, Michał Januszewski z Google Research oraz badacz podoktorancki z Harvardu Daniel Berger. Ostatecznym celem współpracy jest stworzenie wysokorozdzielczej mapy połączeń w całym mózgu myszy, co wiązałoby się z około 1000 razy większą ilością danych niż ta, którą właśnie wygenerowano z 1-milimetrowego fragmentu ludzkiej kory. „Słowo »fragment« jest ironiczne”, powiedział Lichtman. „Terabajt jest dla większości ludzi gigantyczny, a jednak fragment ludzkiego mózgu — tylko malutki, maleńki kawałek ludzkiego mózgu — to tysiące terabajtów”. Najnowsza mapa w „Science” zawiera nigdy dotąd nie widziane szczegóły w strukturze mózgu, w tym rzadki, ale potężny zestaw aksonów połączonych nawet 50 synapsami. Zespół zauważył również osobliwości w tkance, takie jak kilka aksonów tworzących rozległe zwoje. Ponieważ ich próbka została pobrana od pacjentki z padaczką, naukowcy nie są pewni, czy takie nietypowe formacje są patologiczne, czy po prostu rzadkie.
Dziedziną Lichtmana jest „konektomika”, która analogicznie do genomiki dąży do stworzenia kompleksowych katalogów struktury mózgu, aż po poszczególne komórki i połączenia. Kompletne mapy oświetliłyby drogę do nowych informacji na temat funkcji i chorób mózgu, o których naukowcy wciąż wiedzą bardzo niewiele. Najnowocześniejsze algorytmy AI Google pozwalają na rekonstrukcję i mapowanie tkanki mózgowej w trzech wymiarach. Zespół opracował również zestaw publicznie dostępnych narzędzi, których naukowcy mogą użyć do zbadania i opisania konektomu. „Biorąc pod uwagę ogromną inwestycję w ten projekt, ważne było, aby przedstawić wyniki w taki sposób, żeby każdy inny mógł teraz z nich skorzystać”, powiedział Viren Jain z Google Research. Następnie zespół zajmie się formacją hipokampu myszy, który jest ważny w neurobiologii ze względu na jego rolę w pamięci i chorobach neurologicznych.