Pokazano pojedynczy neuron z 5600 włóknami nerwowymi (kolor niebieski), które się z nim łączą. Synapsy tworzące te połączenia są zaznaczone na zielono. Źródło: Google Research i Lichtman Lab, Uniwersytet Harvarda. Renderingi: D. Berger, Harvard
Naukowcy wykorzystali mikroskopię elektronową o wysokiej rozdzielczości do zobrazowania małego fragmentu ludzkiej tkanki mózgowej, tworząc trójwymiarową mapę ponad 57 000 komórek i prawie 150 milionów synaps. Ich odkrycia ujawniają zawiłe szczegóły dotyczące typów i połączeń komórek, podkreślając złożoność mózgu i przyczyniając się do rozwoju konektomiki.
- Naukowcy wygenerowali mapę o wysokiej rozdzielczości wszystkich komórek i połączeń w pojedynczym milimetrze sześciennym ludzkiego mózgu.
- Wyniki ujawniają wcześniej niewidoczne szczegóły struktury mózgu i stanowią materiał do dalszych badań.
Pełne zrozumienie działania ludzkiego mózgu wymaga znajomości relacji między różnymi komórkami tworzącymi mózg. Polega to na wizualizacji struktury mózgu w skali nanometrów w celu zobaczenia połączeń między neuronami.
Techniki obrazowania i metodologia badań
Zespół badaczy, kierowany przez dr Jeffa Lichtmana z Uniwersytetu Harvarda i dr Virena Jaina z Google Research, wykorzystał mikroskopię elektronową (EM) do zobrazowania w wysokiej rozdzielczości fragmentu ludzkiej tkanki mózgowej o wielkości milimetra sześciennego. Tkankę pobrano z kory mózgowej pacjenta w ramach operacji z powodu padaczki.
Zespół rozpoczął od pocięcia tkanki na ponad 5000 plasterków, z których każdy został następnie sfotografowany za pomocą EM. Dało to około 1,4 petabajta, czyli 1400 terabajtów danych. Wykorzystując te dane, naukowcy wygenerowali rekonstrukcję 3D niemal każdej komórki w próbce. Wyniki badania finansowanego przez NIH opublikowano w czasopiśmie Nauka.
Naukowcy stworzyli trójwymiarowy obraz prawie każdego neuronu i jego połączeń w małym fragmencie ludzkiej tkanki mózgowej. Ten obraz przedstawia sześć warstw neuronów, pokolorowanych zgodnie z rozmiarem centralnego rdzenia każdej komórki. Źródło: Google Research i Lichtman Lab, Uniwersytet Harvarda. Renderingi: D. Berger, Harvard
Szczegółowe ustalenia i analiza komórkowa
Analiza poszczególnych komórek w próbce wykazała łącznie ponad 57 000 komórek. Większość z nich to albo neurony, które wysyłają sygnały elektryczne, albo glej, który zapewnia neuronom różne funkcje pomocnicze. Glej miał przewagę liczebną nad neuronami 2 do 1. Najczęstszymi komórkami glejowymi były oligodendrocyty, które zapewniają neuronom wsparcie strukturalne i izolację elektryczną. Próbka o jednym milimetrze sześciennym zawierała także około 230 mm naczyń krwionośnych.
Rekonstrukcja ujawniła niewidziane wcześniej szczegóły konstrukcyjne. Naukowcy przeanalizowali rodzaj neuronów, zwanych komórkami trójkątnymi, które znajdują się w najgłębszej warstwie kory mózgowej. Wielu z nich przyjęło jedną z dwóch orientacji, które były wzajemnymi odbiciami lustrzanymi. Znaczenie tej organizacji pozostaje nieznane.
Synapsy i połączenia
Zespół wykorzystał uczenie maszynowe identyfikować synapsy — połączenia, przez które sygnały przechodzą z jednej komórki do drugiej. Znaleźli prawie 150 milionów synaps. Prawie wszystkie neurony utworzyły tylko jeden synapsa z daną komórką docelową. Ale niewielka część utworzyła dwie lub więcej synaps skierowanych do tego samego celu.
W co najmniej jednym przypadku ponad 50 synaps łączyło jedną parę komórek. Chociaż rzadko, połączenia siedmiu lub więcej synaps między komórkami były znacznie częstsze, niż oczekiwano przypadkowo. Sugeruje to, że te silne powiązania mają pewne znaczenie funkcjonalne.
Connectomika i złożoność mózgu
Wyniki ilustrują, jak złożony jest mózg na poziomie komórkowym. Pokazują także wartość konektomiki – nauki o generowaniu kompleksowych map połączeń między komórkami mózgowymi – dla zrozumienia funkcjonowania mózgu.
„Słowo „fragment” jest ironiczne” – mówi Lichtman. „Dla większości ludzi terabajt to gigant, jednak fragment ludzkiego mózgu – po prostu maleńki, malusieńki kawałek ludzkiego mózgu – to wciąż tysiące terabajtów”.
Zespół udostępnił publicznie swój zbiór danych. Udostępnili także różne narzędzia programowe pomagające w badaniu mapy mózgu. Mamy nadzieję, że dalsze badania danych prowadzone przez ten zespół i innych badaczy przyniosą nowy wgląd w działanie ludzkiego mózgu.
„Ten niesamowity postęp — możliwość przechwytywania i przetwarzania ponad 1000 terabajtów danych z mózgu — nie byłby możliwy bez hojnej darowizny od uczestnika badania i ważnego partnerstwa między neurologami, informatykami i inżynierami” – mówi dr John Ngai, dyrektor inicjatywy BRAIN Initiative NIH. „Ta współpraca ma kluczowe znaczenie dla naszego celu, jakim jest zbudowanie pełnej mapy ludzkiego mózgu, dzięki czemu będziemy mogli przybliżyć leki do klinik”.
Więcej informacji na temat tego badania:
Odniesienie: „Fragment petawokselu ludzkiej kory mózgowej zrekonstruowany w nanoskala uchwała”: Alexander Shapson-Coe, Michał Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuohong Wang, Jeremy Maitin-Shepard, Neha Karlupia, Sven Dorkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Leavitt, Dongil Lee, Jakob Troidl, Forrest Collman, Luke Bailey, Angerica Fitzmaurice, Rohin Kar, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Carena, David Aley, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg, Viren Jain i Jeff W. Lichtman, 10 maja 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adk4858
