În urmă cu zece ani, dr. Jeff Lichtman - profesor de biologie moleculară și celulară la Universitatea Harvard - a primit în laboratorul său o mică mostră de creier.
Deși minuscul, 1 milimetru cub de țesut era suficient de mare pentru a conține 57.000 de celule, 230 de milimetri de vase de sânge și 150 de milioane de sinapse.
"Era mai mic decât un bob de orez, dar am început să îl tăiem și să ne uităm la el și era cu adevărat frumos. Dar, pe măsură ce acumulam datele, mi-am dat seama că aveam mult, mult mai mult decât puteam gestiona", a spus el.
În cele din urmă, Lichtman și echipa sa au ajuns să aibă 1.400 de terabiţi de date din eșantion - aproximativ conținutul a peste 1 miliard de cărți.
Acum, după un deceniu de colaborare strânsă a echipei de laborator cu oamenii de știință de la Google, aceste date s-au transformat în cea mai detaliată hartă a unui eșantion de creier uman creată vreodată.
300 de milioane de imagini
Proba de creier provine de la un pacient cu epilepsie severă. Este o procedură standard, precizează Lichtman, să se îndepărteze o mică porțiune din creier pentru a opri crizele, iar apoi să se examineze țesutul pentru a se asigura că este normal.
"Dar a fost anonimizată, așa că nu știam aproape nimic despre pacient, în afară de vârsta și sexul acestuia", a spus el.
Pentru a analiza proba, Lichtman și echipa sa au tăiat-o mai întâi în secțiuni subțiri, folosind un cuțit cu o lamă de diamant. Secțiunile au fost apoi încorporate într-o rășină dură și tăiate din nou, foarte subțire.
"Aproximativ 30 de nanometri, adică aproximativ 1.000 de ori mai puțin decât grosimea unui fir de păr uman. Erau practic invizibile, dacă nu ar fi fost faptul că le colorasem cu metale grele, ceea ce le făcea vizibile atunci când făceam imagistică electronică", explică dr. Jeff Lichtman.
Citește și
Echipa a ajuns să aibă câteva mii de felii, care au fost preluate cu o bandă făcută la comandă, creând un fel de bandă de film: "Dacă faci o fotografie a fiecăreia dintre aceste secțiuni și aliniezi aceste imagini, obții o bucată tridimensională de creier la nivel microscopic".
Atunci, cercetătorii și-au dat seama că au nevoie de ajutor cu datele, deoarece imaginile rezultate ar fi ocupat o cantitate semnificativă de spațiu de stocare.
Lichtman știa că Google lucra la o hartă digitală a creierului unei muște de fructe, lansată în 2019, și că avea hardware-ul potrivit pentru această sarcină. El a luat legătura cu Viren Jain, un cercetător științific senior din cadrul Google care lucra la proiectul cu musca de fructe.
"Existau 300 de milioane de imagini separate (în datele de la Harvard). Ceea ce face ca datele să fie atât de multe este faptul că faci imagistica la o rezoluție foarte mare, la nivelul unei sinapse individuale. Și doar în acel mic eșantion de țesut cerebral erau 150 de milioane de sinapse", a declarat Jain, potrivit CNN.
Pentru a da sens imaginilor, oamenii de știință de la Google au folosit procesarea și analiza bazată pe inteligență artificială, identificând ce tip de celule se aflau în fiecare imagine și modul în care acestea erau conectate. Rezultatul este un model 3D interactiv al țesutului cerebral și cel mai mare set de date realizat vreodată la această rezoluție a unei structuri cerebrale umane.
Google l-a pus la dispoziție online sub numele de "Neuroglancer", iar în același timp a fost publicat un studiu în revista Science, cu Lichtman și Jain printre coautori.
În GALERIA FOTO de mai jos puteţi urmări imagini cu harta creierului, realizate de Google Research & Lichtman Lab (Harvard University):
› Vezi galeria foto ‹
Cum să înţelegem creierul
Colaborarea dintre echipele de la Harvard și Google a dus la obținerea unor imagini colorizate care fac mai vizibile componentele individuale, dar care, în rest, sunt o reprezentare veridică a țesutului.
"Culorile sunt complet arbitrare, dar, dincolo de asta, nu există prea multă licență artistică aici. Ideea este că nu inventăm - aceștia sunt neuronii reali, firele reale care există în acest creier, iar noi doar îl facem convenabil și accesibil pentru ca biologii să îl vizualizeze și să îl studieze", mai spune Jain.
Datele conțineau câteva surprize. De exemplu, în loc să formeze o singură conexiune, perechile de neuroni au în schimb mai mult de 50 de conexiuni.
"Este ca și cum două case de pe un bloc ar avea 50 de linii telefonice separate care le conectează. Ce se întâmplă acolo? De ce sunt atât de puternic conectate? Nu știm încă care este funcția sau semnificația acestui fenomen, va trebui să îl studiem în continuare", a spus el.
În cele din urmă, observarea creierului la acest nivel de detaliu i-ar putea ajuta pe cercetători să dea sens unor afecțiuni medicale nerezolvate, potrivit lui Lichtman.
"Ce înseamnă să ne înțelegem creierul? Cel mai bun lucru pe care îl putem face este să îl descriem și să sperăm că din aceste descrieri se va ajunge la o înțelegere, de exemplu, a modului în care creierele normale sunt diferite de creierele care sunt dezordonate, în bolile psihiatrice ale adulților sau în tulburările de dezvoltare, cum ar fi spectrul autist - acest tip de comparație va fi foarte valoros. În cele din urmă, ne va da o idee despre ceea ce este în neregulă, ceea ce, în cele mai multe cazuri, suntem încă în întuneric", precizează specialistul.
Lichtman crede, de asemenea, că setul de date ar putea fi plin de alte detalii uimitoare care, din cauza dimensiunii sale, nu au fost încă descoperite.
"Și de aceea îl împărtășim online, pentru ca oricine să se poată uita la el și să găsească lucruri", a adăugat el.
În continuare, echipa din spatele proiectului își propune să creeze o hartă completă a creierului unui șoarece, ceea ce ar necesita de 500 până la 1.000 de ori mai multe date decât în cazul eșantionului de creier uman.
"Asta ar însemna 1 exabyte, ceea ce înseamnă 1.000 de petabyte. O mulțime de oameni se gândesc intens la modul în care vom face acest lucru, iar noi suntem în primul an al unei dovezi de principiu de cinci ani. Cred că ar fi un moment de cotitură pentru neuroștiință, să avem o schemă completă a cablajului creierului de mamifer; ar răspunde la foarte multe întrebări. Și, bineînțeles, ar scoate la iveală mult mai multe probleme, lucruri la care nu ne-am fi așteptat", a declarat Lichtman.
Ce ziceți de cartografierea unui întreg creier uman?
Aceasta ar fi de încă 1.000 de ori mai mare, a explicat Lichtman, ceea ce înseamnă că datele ar însuma 1 zettabyte. În 2016, aceasta a fost dimensiunea întregului trafic de internet pentru anul respectiv, potrivit Cisco.
În momentul de față, nu numai că ar fi dificil chiar și să stocăm atât de multe date, dar nu ar exista nicio modalitate acceptabilă din punct de vedere etic de a obține un creier uman curat și bine conservat.
Un nou început
Cercetătorii din același domeniu care nu au fost implicați în această lucrare și-au exprimat entuziasmul atunci când au fost contactați de CNN pentru comentarii.
"Acest studiu este minunat și sunt atât de multe de învățat din astfel de date", a declarat Michael Bienkowski, profesor asistent de fiziologie și neuroștiință la Școala de Medicină Keck a Universității din California de Sud.
"O mare parte din ceea ce credem că înțelegem despre creierul uman este extrapolat de la animale, dar cercetări ca aceasta sunt esențiale pentru a dezvălui ceea ce ne face cu adevărat umani. Vizualizarea neuronilor și a altor celule cerebrale este o adevărată provocare din cauza densității și complexității lor, iar setul actual de date nu surprinde conexiunile cu rază mai lungă de acțiune", a declarat Bienkowski.
"Din ce alte regiuni ale creierului provin aceste intrări și unde se duc ieșirile odată ce părăsesc zona? Dar să vezi toate aceste tipuri diferite de celule și interacțiunile lor este incredibil și te face să apreciezi ce capodoperă de arhitectură ne-a oferit viața", a adăugat el.
Andreas Tolias, profesor de oftalmologie la Universitatea Stanford din California, a fost de acord.
"Acesta este un studiu tehnic remarcabil care reconstruiește structura cortexului uman la o rezoluție înaltă. Am fost deosebit de încântat de descoperirea axonilor rari capabili să formeze până la 50 de sinapse. Această descoperire este intrigantă și ridică întrebări importante cu privire la rolurile lor computaționale", a spus el.
Proiectul de cartografiere a creierului deschide ușa pentru investigații viitoare, potrivit cercetătorului în neuroștiințe Olaf Sporns.
"Fiecare creier uman este o rețea vastă de miliarde de celule nervoase", a declarat Sporns, profesor distins de științe psihologice și cerebrale la Universitatea Indiana. "Această rețea permite celulelor să comunice, în modele foarte specifice care sunt fundamentale pentru memorie, gândire și comportament. Cartografierea acestei rețele, connectomul uman, este esențială pentru a înțelege cum funcționează creierul", a adăugat el, menționând că studiul deschide noi drumuri spre acest obiectiv important și oferă noi oportunități interesante de explorare și descoperire.
