Google i Harvard su predstavili najdetaljniju mapu ljudskog mozga ikada

Iako sićušan, 1 kubni milimetar tkiva bio je dovoljno velik za to sadrže 57.000 ćelija, 230 milimetara krvnih sudova i 150 miliona sinapsi.

„Bilo je manje od zrna pirinča, ali počeli smo da ga sečemo i gledamo, i bilo je zaista prelepo“, rekao je. “Ali dok smo prikupljali podatke, shvatio sam da jednostavno imamo mnogo, mnogo više nego što smo mogli podnijeti.”

Uzorak mozga došao je od pacijenta sa teškom epilepsijom. To je standardna procedura, rekao je Lichtman, da se ukloni mali dio mozga kako bi se zaustavili napadi, a zatim da se pogleda tkivo da se uvjeri da je normalno. “Ali bio je anonimiziran, tako da nisam znao gotovo ništa o pacijentu, osim njihove dobi i spola”, rekao je.

Da bi analizirali uzorak, Lichtman i njegov tim prvo su ga isjekli na tanke dijelove pomoću noža s oštricom napravljenom od dijamanta. Odsječci su zatim ugrađeni u tvrdu smolu i ponovo narezani, vrlo tanko. “Oko 30 nanometara, ili otprilike 1000-ti dio debljine ljudske kose. Bili su praktički nevidljivi, da nije bilo činjenice da smo ih zamrljali teškim metalima, koji su ih činili vidljivima kada smo radili elektronsko snimanje”, rekao je.

Tim je na kraju dobio nekoliko hiljada kriški, koje su pokupljene trakom po narudžbi, stvarajući neku vrstu filmske trake: „Ako uslikate svaki od tih dijelova i poravnate te slike, dobićete trodimenzionalni komad mozga na mikroskopskom nivou.”

Tada su istraživači shvatili da im je potrebna pomoć s podacima, jer bi rezultirajuće slike zauzele značajnu količinu prostora za pohranu.

Lichtman je znao da Google radi na digitalnoj mapi a mozak voćne mušice, objavljen 2019. godine, i imao je pravi računarski hardver za taj posao. Stupio je u kontakt s Virenom Jainom, višim naučnikom u Googleu koji je radio na projektu voćne mušice.

„Bilo je 300 miliona zasebnih slika (prema Harvardovim podacima)“, rekao je Jain. “Ono što čini toliko podataka je to što slikate u vrlo visokoj rezoluciji, na nivou pojedinačne sinapse. I samo u tom malom uzorku moždanog tkiva bilo je 150 miliona sinapsi.”

Da bi dobili smisao slikama, naučnici na Google je koristio obradu i analizu zasnovanu na umjetnoj inteligenciji, identifikujući koja se vrsta ćelija nalazi na svakoj slici i kako su povezane. Rezultat je interaktivni 3D model moždanog tkiva i najveći skup podataka ikada napravljen u ovoj rezoluciji strukture ljudskog mozga. Google ga je učinio dostupnim na mreži kao “Neurolancer“, a studija je objavljena u časopisu Nauka u isto vrijeme, s Lichtmanom i Jainom među koautorima.

Razumijevanje mozga

Saradnja između Harvard i Google timova rezultirala je slikama u boji koje pojedine komponente čine vidljivijima, ali su inače istinita reprezentacija tkiva.

Podaci su sadržavali neka iznenađenja. Na primjer, umjesto da formiraju jednu vezu, parovi neurona imaju više od 50. „Ovo je kao da dvije kuće u bloku imaju 50 odvojenih telefonskih linija koje ih povezuju. Šta se tamo dešava? Zašto su tako snažno povezani? Još ne znamo koja je funkcija ili značaj ovog fenomena, morat ćemo ga dalje proučavati”, rekao je.

Na kraju, promatranje mozga na ovom nivou detalja moglo bi pomoći istraživačima da shvate neriješena medicinska stanja, kaže Lichtman.

Lichtman također vjeruje da bi skup podataka mogao biti ispunjen drugim nevjerovatnim detaljima koji zbog svoje veličine još nisu otkriveni: „I zato ga dijelimo na internetu, tako da svako može da ga pogleda i pronađe stvari“, on dodano.

Sljedeće, tim koji stoji iza projekta ima za cilj stvoriti punu mapu mozga miša, za koju bi bila potrebna između 500 i 1000 puta veća količina podataka od uzorka ljudskog mozga.

“To bi značilo 1 eksabajt, što je 1.000 petabajta”, rekao je Lichtman. “Mnogi ljudi dobro razmišljaju o tome kako ćemo ovo uraditi, a mi smo u prvoj godini petogodišnjeg dokaza principa. Mislim da bi to bio prelomni trenutak za neuronauku, da ima kompletan dijagram ožičenja mozga sisara; to bi odgovorilo na mnoga, mnoga pitanja. I naravno, otkrilo bi još mnogo problema, stvari koje nismo očekivali.”

Šta je sa mapiranjem cijelog ljudskog mozga? To bi bilo još 1.000 puta veće, objasnio je Lichtman, što znači da bi podaci iznosili 1 zetabajt. U 2016. godini to je bila veličina cjelokupnog internet prometa za godinu, prema Cisco-u. U ovom trenutku, rekao je Lichtman, ne samo da bi bilo teško čak i pohraniti toliko podataka, već ne bi postojao etički prihvatljiv način nabavke netaknutog, dobro očuvanog ljudskog mozga.

„Ova studija je divna, i ima toliko toga da se nauči iz ovakvih podataka“, rekao je Michael Bienkowski, docent fiziologije i neuronauke na Keck School of Medicine Univerziteta Južne Kalifornije.

„Mnogo od onoga što mislimo da razumijemo o ljudskom mozgu ekstrapolirano je od životinja, ali ovakva istraživanja su kritična za otkrivanje onoga što nas zaista čini ljudima. Vizualizacija neurona i drugih moždanih ćelija je zaista izazovna zbog njihove čiste gustine i složenosti, a trenutni skup podataka ne obuhvata veze dužeg dometa”, rekao je Bienkowski.

„Iz kojih još regiona mozga potiču ovi ulazi i gde izlaze idu kada napuste to područje? Ali vidjeti sve te različite tipove ćelija i njihove interakcije je nevjerojatno i čini vas da cijenite ono što nam je remek djelo arhitekture dalo život,” dodao je.

Andreas Tolias, profesor oftalmologije na Univerzitetu Stanford u Kaliforniji, slaže se. “Ovo je izvanredna tehnička studija koja rekonstruiše strukturu ljudskog korteksa u visokoj rezoluciji”, rekao je. “Bio sam posebno uzbuđen zbog otkrića rijetkih aksona sposobnih za formiranje do 50 sinapsi. Ovo otkriće je intrigantno i postavlja važna pitanja o njihovoj računskoj ulozi.”

Projekat mapiranja mozga otvara vrata za buduća istraživanja, smatra neuronaučnik Olaf Sporns.

“Svaki ljudski mozak je ogromna mreža od milijardi nervnih ćelija”, rekao je Sporns, ugledni profesor psiholoških nauka i nauka o mozgu na Univerzitetu Indijana. “Ova mreža omogućava ćelijama da komuniciraju, u vrlo specifičnim obrascima koji su od suštinskog značaja za pamćenje, mišljenje i ponašanje. Mapiranje ove mreže, ljudskog konektoma, ključno je za otkrivanje načina na koji mozak radi”, dodao je, napominjući da studija otvara novi teren ka ovom važnom cilju i nudi uzbudljive nove mogućnosti za istraživanje i otkrivanje.