Google ja Harvard julkistivat kaikkien aikojen yksityiskohtaisimman kartan ihmisaivoista | Cilostazol

Google ja Harvard julkistivat kaikkien aikojen yksityiskohtaisimman kartan ihmisaivoista

Tilaa CNN:n Wonder Theory -tieteen uutiskirje. Tutustu maailmankaikkeuteen uutisten kiehtovista löydöistä, tieteen edistysaskeleista ja muusta.



CNN

Kymmenen vuotta sitten Dr. Jeff Lichtman – molekyyli- ja solubiologian professori Harvardin yliopistossa – pieni aivonäyte laboratoriossa.

Vaikka se oli pieni, se oli tarpeeksi suuri 1 kuutiomillimetrille kudosta sisältää 57 000 solua, 230 millimetriä verisuonia ja 150 miljoonaa synapsia.

“Se oli pienempi kuin riisinjyvä, mutta aloimme leikata sitä ja katsoa sitä, ja se oli todella kaunis”, hän sanoi. “Mutta kun keräsimme tietoja, tajusin, että meillä oli vain paljon, paljon enemmän kuin pystyimme käsittelemään.”

Lopulta Lichtman ja hänen tiiminsä saivat näytteestä 1 400 teratavua dataa – noin. yli miljardin kirjan sisällöstä. Nyt, kun laboratoriotiimi on työskennellyt tiiviisti Googlen tutkijoiden kanssa vuosikymmenen ajan, tiedoista on tullut yksityiskohtaisin kartta ihmisaivonäytteestä, joka on koskaan luotu.

Aivonäyte tuli potilaalta, jolla oli vaikea epilepsia. Lichtman sanoi, että se on tavanomainen toimenpide poistaa pieni osa aivoista kouristuskohtausten lopettamiseksi ja sitten tarkastella kudosta varmistaaksesi, että se on normaalia. “Mutta se oli anonymisoitu, joten en tiennyt potilaasta juuri mitään muuta kuin hänen ikänsä ja sukupuolensa”, hän sanoi.

Analysoidakseen näytteen Lichtman ja hänen tiiminsä leikkasivat sen ensin ohuiksi paloiksi veitsellä, jonka terän reuna oli timantti. Leikkeet upotettiin sitten kovaan hartsiin ja leikattiin uudelleen, hyvin ohuiksi. “Noin 30 nanometriä eli noin 1 000 ihmisen hiuksen paksuudesta. Ne olivat suurelta osin näkymättömiä, ellei se olisi ollut sitä tosiasiaa, että olimme värjätty ne raskasmetalleilla, mikä teki ne näkyvissä, kun teimme elektronikuvauksen”, hän sanoi. .

Tiimi päätyi useisiin tuhansiin siivuihin, jotka poimittiin mittatilaustyönä tehdyllä nauhalla, mikä loi eräänlaisen filminauhan: “Jos otat kuvan jokaisesta näistä osista ja kohdistat kuvat, saat kolmiulotteisen siivun aivot mikroskooppisella tasolla.”

Silloin tutkijat ymmärsivät, että he tarvitsivat apua tietojen kanssa, koska tuloksena saadut kuvat vievät huomattavan määrän tallennustilaa.

Lichtman tiesi, että Google työskentelee yhden digitaalisen kartan parissa hedelmäkärpäsen aivot, julkaistiin vuonna 2019, ja siinä oli oikea tietokonelaitteisto työhön. Hän otti yhteyttä Viren Jainiin, Googlen vanhempi tutkija, joka työskenteli hedelmäkärpäsprojektissa.

“Harvardin datassa oli 300 miljoonaa erillistä kuvaa”, Jain sanoi. “Mikä tekee siitä niin paljon dataa, on se, että otat kuvia erittäin korkealla resoluutiolla, yksittäisen synapsin tasolla. Ja vain tuossa pienessä aivokudosnäytteessä oli 150 miljoonaa synapsia.”

Kuvien ymmärtämiseksi tutkijoilla on Google käytti tekoälypohjaista prosessointia ja analyysiä tunnistaakseen, minkä tyyppisiä soluja kussakin kuvassa oli ja miten ne oli yhdistetty. Tuloksena on interaktiivinen 3D-malli aivokudoksesta ja suurin tietojoukko, joka on koskaan tehty tällä ihmisen aivorakenteen resoluutiolla. Google teki sen saataville verkossa nimellä “Neuroglancer“, ja tutkimus julkaistiin lehdessä Tiede samaan aikaan Lichtmanin ja Jainin kanssa kirjoittajina.

Aivojen ymmärtäminen

Harvardin ja Googlen tiimien yhteistyö johti värillisiin kuviin, jotka tekevät yksittäisistä komponenteista näkyvämpiä, mutta ovat muuten todellisia kudoksia.

“Värit ovat täysin mielivaltaisia”, Jain selitti, “mutta sen lisäksi täällä ei ole paljoakaan taiteellista lisenssiä. Koko asian pointti on se, että emme keksi sitä – se on todelliset neuronit, oikea johdotus. nämä aivot, ja teemme siitä vain käytännöllisen ja biologien näkemisen ja tutkimisen ulottuvilla.”

Data sisälsi yllätyksiä. Esimerkiksi yhden yhteyden muodostamisen sijasta hermosoluparilla on enemmän kuin 50. “Se on vähän kuin kahdessa korttelissa olevaa taloa yhdistäisi 50 erillistä puhelinlinjaa. Mitä siellä tapahtuu? Miksi ne liittyvät niin läheisesti toisiinsa? Emme vielä tiedä, mikä tämän ilmiön tehtävä tai merkitys on, meidän on tutkittava sitä lisää”, hän sanoi.

Lopulta aivojen tarkkaileminen tällä yksityiskohtaisella tasolla voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään ratkaisemattomia lääketieteellisiä tiloja, Lichtmanin mukaan.

“Mitä aivojen ymmärtäminen tarkoittaa? Ehkä parasta, mitä voimme tehdä, on kuvata niitä ja toivoa, että kuvauksista tulee jotain käsitystä, esimerkiksi kuinka normaalit aivot eroavat häiriintyneistä aivoista, aikuisten psykiatrisissa sairauksissa tai kehityshäiriöt, kuten autismikirjon – tällainen vertailu on erittäin arvokasta”, hän sanoi epäilevästi.”

Lichtman uskoo myös, että tietojoukko voi olla täynnä muita hämmästyttäviä yksityiskohtia, joita koonsa vuoksi ei ole vielä löydetty: “Ja siksi jaamme sen verkossa, jotta kaikki voivat katsoa sitä ja löytää asioita”, hän lisäsi. .

Yksi neuroni (valkoinen), jossa on 5 600 aksonia (sininen), joka liittyy siihen.  Nämä yhteydet muodostavat synapsit näkyvät vihreänä.  Neuronin solurunko (keskusydin) on halkaisijaltaan noin 14 mikrometriä.

Seuraavaksi projektin takana oleva tiimi pyrkii luomaan täydellisen kartan hiiren aivoista, mikä vaatisi 500-1000 kertaa enemmän dataa kuin ihmisen aivonäytteestä.

“Se tarkoittaisi 1 eksatavua, mikä on 1 000 petatavua”, Lichtman sanoi. ”Monet ihmiset miettivät tarkkaan, miten aiomme tehdä tämän, ja olemme viiden vuoden periaatteellisen todistuksen ensimmäistä vuotta. Luulen, että neurotieteelle olisi vedenjakaja saada täydellinen nisäkäsaivojen kytkentäkaavio; se vastaisi moneen, moneen kysymykseen. Ja tietysti se paljastaisi monia muita ongelmia, asioita, joita emme odottaneet.”

Entäpä koko ihmisaivojen kartoittaminen? Se olisi vielä 1000 kertaa suurempi, Lichtman selitti, mikä tarkoittaa, että tiedot olisivat 1 settaatavu. Vuonna 2016 se oli vuoden kaiken nettiliikenteen koko, Ciscon mukaan. Tällä hetkellä Lichtman sanoi, että ei vain olisi vaikeaa edes tallentaa niin paljon tietoa, mutta ei olisi eettisesti hyväksyttävää tapaa saada koskemattomia, hyvin säilyneitä ihmisaivoja.

Saman alan tutkijat, jotka eivät olleet mukana työssä, ilmaisivat innostuneisuutensa, kun CNN otti heihin yhteyttä kommentoidakseen.

“Tämä tutkimus on upea, ja tällaisista tiedoista on niin paljon opittavaa”, sanoi Michael Bienkowski, fysiologian ja neurotieteen apulaisprofessori Etelä-Kalifornian yliopiston Keckin lääketieteellisestä tiedekunnasta.

“Paljon siitä, mitä luulemme ymmärtävämme ihmisaivoista, on ekstrapoloitu eläimistä, mutta tämänkaltainen tutkimus on ratkaisevan tärkeää sen selvittämisessä, mikä todella tekee meistä ihmisiä. Hermosolujen ja muiden aivosolujen visualisointi on todella haastavaa niiden suuren tiheyden ja monimutkaisuuden vuoksi. nykyinen tietojoukko ei kaappaa pidemmän kantaman yhteyksiä”, Bienkowski sanoi.

“Miltä muilta aivoalueilta nämä syötteet tulevat ja minne ulostulo menee, kun ne poistuvat alueelta? Mutta kaikkien näiden erilaisten solutyyppien ja niiden vuorovaikutuksen näkeminen on uskomatonta ja saa sinut arvostamaan sitä, mitä arkkitehtuurin mestariteos elämä on meille antanut”, lisäsi. hän.

Kalifornian Stanfordin yliopiston oftalmologian professori Andreas Tolias oli samaa mieltä. “Tämä on merkittävä tekninen tutkimus, joka rekonstruoi ihmisen aivokuoren rakenteen korkealla resoluutiolla”, hän sanoi. “Olin erityisen innoissani harvinaisten aksonien löydöstä, jotka pystyvät muodostamaan jopa 50 synapsia. Tämä löytö on jännittävä ja herättää tärkeitä kysymyksiä niiden laskennallisista rooleista.”

Renderöinti näyttää kaikki kiihottavat (pyramidaaliset) neuronit aivonäytteen osassa eri suurennus- ja kallistusasteilla.  Ne on värjätty koon mukaan;  solujen solurungon (keskituman) halkaisija vaihtelee 15 - 30 mikrometrin välillä.

Neurotieteilijä Olaf Spornsin mukaan aivokartoitusprojekti avaa oven tuleville tutkimuksille.

“Jokainen ihmisen aivot muodostavat valtavan miljardien hermosolujen verkoston”, sanoi Sporns, arvostettu psykologian ja aivotieteen professori Indianan yliopistosta. “Tämä verkko sallii solujen kommunikoida hyvin erityisillä malleilla, jotka ovat perustavanlaatuisia muistille, ajatukselle ja käyttäytymiselle. Tämän verkon, ihmisen yhteyden kartoittaminen on ratkaisevan tärkeää aivojen toiminnan selvittämisessä”, hän lisäsi ja huomautti, että tutkimus tuo uutta. kohti tätä tärkeää tavoitetta ja tarjoaa jännittäviä uusia mahdollisuuksia tutkimiseen ja löytöihin.

Leave a Reply

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