Koristeći sićušan uzorak moždanog tkiva miša, veličine zrna pijeska, znanstvenici su izradili prvu preciznu trodimenzionalnu kartu mozga sisavca, piše CNN.
Karta prikazuje oblik, funkciju i aktivnost 84.000 neurona, razgranatih struktura koje prenose poruke duž aksona, te više od 500 milijuna sinapsi i 200.000 drugih moždanih stanica. Taj mikroskopski uzorak tkiva sadržavao je čak 5.4 kilometra neuronskih veza, što je gotovo jedna i pol duljina Central Parka u New Yorku.
Ovo je rezultat gotovo desetljeća istraživanja koje je provelo 150 znanstvenika u 22 institucije, a vodili su ga Allenov institut za neuroznanost, Medicinski fakultet Baylor i Sveučilište Princeton.
"Jedan od zaključaka ovog projekta je i koliko je mozak nevjerojatno lijep", rekao je dr. Forrest Collman, zamjenik ravnatelja za podatke i tehnologiju pri Allenovu institutu, u videu koji je objavila organizacija. "Samo promatrajući te neurone uočavaš njihovu složenost i razmjere, što izaziva divljenje, kao kad gledaš fotografiju udaljene galaksije", dodao je.
Zapanjujuća karta obuhvaća tek 1/500 volumena mišjeg mozga, no rezultirala je s 1.6 petabajta podataka, što je količina podataka usporediva s 22 godine neprekidnog HD videa. Podaci iz projekta, poznatog pod nazivom MICrONS (Machine Intelligence from Cortical Networks), već su javno dostupni.
Znanstvenici su rezultate opisali u više radova objavljenih 9. travnja u časopisu Nature.
Za izradu karte tim s Medicinskog fakulteta Baylor u Houstonu prvo je upotrijebio specijalizirane mikroskope kako bi tijekom nekoliko dana bilježio moždanu aktivnost u jednom kubičnom milimetru tkiva iz vidnog korteksa miša, dijela mozga koji obrađuje vizualne podražaje.
Kako bi miša držali budnim i vizualno stimuliranim tijekom snimanja, pustili su ga da trči po pokretnoj traci i gleda desetosekundne isječke iz raznih filmova, uključujući Matrix i Pobješnjeli Max: Divlja cesta. Prema priopćenju Sveučilišta Princeton, u rotaciji su bile i YouTube snimke ekstremnih sportova poput motocrossa, sanjkanja i BASE jumpinga.
Nakon što je miš eutanaziran, istraživači iz Allenova instituta u Seattleu uzeli su taj uzorak tkiva i narezali ga u više od 28.000 slojeva, pri čemu je svaki sloj bio debljine 1/400 ljudske vlasi. Snimili su slike svakog sloja te ih digitalno rekonstruirali u kompozitnu trodimenzionalnu strukturu.
"To nam je uz dežurstva od 24 sata uzelo dvanaest dana i dvanaest noći, ne zato što smo rezali ručno, već zato što je stroj bio automatiziran", rekao je dr. Nuno Maçarico da Costa, viši istraživač u Allenovu institutu.
"Bili smo tamo da sve zaustavimo čim bi se pojavila opasnost da izgubimo više od jednog sloja." Da se to dogodilo, ističe, morali bi početi ispočetka, što je cijeli proces činilo vrlo stresnim.
Nakon toga je Princetonov tim primijenio alate strojnog učenja i umjetne inteligencije kako bi kroz te slojeve pratio oblik pojedinog neurona. Bojili su ih kako bi ih zasebno istaknuli u postupku poznatom kao segmentacija. Informacije koje generira AI zatim provjeravaju i potvrđuju znanstvenici, a taj dio posla još uvijek traje.
Rezultat je ujedinjeni pogled na tzv. konektom mišjeg mozga - kartu koja pokazuje kako su njegovi dijelovi organizirani i kako različite vrste stanica surađuju.
"Konektom je početak digitalne transformacije neuroznanosti", rekao je dr. Sebastian Seung, profesor neuroznanosti i računalnih znanosti na Princetonu. "Uz nekoliko tipki možete pretražiti informacije koje bi ranije zahtijevale cijeli doktorat da ih prikupite. To je snaga digitalne revolucije", rekao je u službenom priopćenju.
Mapiranje mozga na ovakvoj razini dugo se smatralo nemogućim. Molekularni biolog Francis Crick, poznat po otkriću strukture DNA, još je 1979. u časopisu Scientific American napisao: "Nema smisla tražiti nemoguće, poput točnog dijagrama povezanosti za jedan kubični milimetar moždanog tkiva i načina na koji svi ti neuroni funkcioniraju."
Ovaj mišji konektom nadovezuje se na ranije radove provedene na jednostavnijim organizmima: konektom nematode C. elegans dovršen je 2019., a potpuna karta neuronske mreže voćne mušice objavljena je 2024.
Kubični milimetar mišjeg mozga dvadeset je puta veći od cijelog mozga voćne mušice i znatno složeniji, kažu istraživači. Cilj je, kažu, mapirati cijeli mozak miša u dogledno vrijeme. "Trenutačno to još nije izvedivo, ali svi imamo jasne ideje kako bismo mogli probiti te prepreke. Nadamo se da ćemo za tri do četiri godine moći reći da je to moguće", rekao je Collman za CNN.
Dodao je da bi mapiranje ljudskog konektoma na sinaptičkoj razini bilo puno teže. "Ljudski mozak je otprilike 1500 puta veći od mišjeg i to donosi golem broj tehničkih i etičkih izazova."
No dr. Clay Reid, viši istraživač iz Allenova instituta, smatra da bi ipak bilo moguće pratiti aksonske veze unutar ljudskog mozga iako ne i sve sinaptičke spojeve. "Rekonstruiranje cijelog ljudskog mozga na razini svih veza očekuje se u dalekoj budućnosti", rekao je.
Neokorteks je posebno zanimljiv za istraživanje jer je to područje koje razlikuje mozgove sisavaca od ostalih kralješnjaka, kažu dr. Mariela Petkova i dr. Gregor Schuhknecht iz Odjela za molekularnu i staničnu biologiju na Sveučilištu Harvard. Oni nisu bili uključeni u stvaranje ove karte.
"Znanstvenici su se fokusirali na to područje jer se ono općenito smatra središtem viših kognitivnih funkcija, kao što su osjetna percepcija, obrada jezika, planiranje i donošenje odluka", napisali su u članku objavljenom uz istraživanje.
"Nevjerojatno je da tako različite funkcije omogućuje isti osnovni nacrt koji uz neke preinake nalazimo u svim područjima korteksa kod svih sisavaca."
Laboratorijski miševi već se široko koriste u istraživanju ljudskih bolesti, a bolje razumijevanje oblika i funkcije njihova mozga otvara nove mogućnosti za proučavanje poremećaja poput Alzheimerove i Parkinsonove bolesti, autizma i shizofrenije, koji uključuju prekide u neuronskoj komunikaciji.
"Ako imate pokvaren radio i shemu spojeva, u boljoj ste poziciji da ga popravite", rekao je Da Costa u službenom priopćenju. "Mi opisujemo nešto poput Google karte tog zrna pijeska. U budućnosti ćemo ovu kartu moći koristiti za usporedbu neuronskih veza u zdravim mišjim mozgovima s mozgovima bolesnih miševa."