Progres major în neuroștiință, considerat cândva imposibil: Prima hartă exactă 3D a creierului. Cum arată 5,4 km de „cabluri” neuronale

Folosind o fărâmă de materie cerebrală de la un șoarece, de mărimea unui bob de nisip, oamenii de știință au creat prima hartă exactă, 3D, a creierului unui mamifer.

Harta detaliază forma, funcția și activitatea a 84.000 de neuroni, structuri ramificate care transmit mesaje pe un braț lung, numit axon, și apoi prin mai mult de 500 de milioane de sinapse, precum și 200.000 de celule cerebrale. Micuța bucată de țesut conținea 5,4 kilometri de cabluri neuronale - aproape de o dată și jumătate lungimea Parcului Central (n.r. Central Park) din New York, potrivit CNN.

‹ ›

Lucrarea este punctul culminant al aproape un deceniu de cercetări efectuate de 150 de oameni de știință din 22 de instituții conduse de Institutul Allen pentru Știința Creierului, Colegiul Baylor de Medicină și Universitatea Princeton.

„Ne arată cât de incredibil de frumos este creierul”

„Un produs secundar al acestui întreg proiect ne arată cât de incredibil de frumos este creierul”, a declarat Dr. Forrest Collman, director asociat pentru date și tehnologie la Institutul Allen.

„Doar uitându-te la acești neuroni îți arată detaliile și scara lor într-un mod care te face să apreciezi creierul cu un sentiment de admirație în același mod în care te uiți în sus, știi, să zicem, la o imagine a unei galaxii foarte, foarte îndepărtate”, a adăugat el.

Uimitoarea hartă reprezintă doar 1/500 din volumul complet al creierului unui șoarece, însă echipa a obținut 1,6 petabytes de date - o cantitate uluitoare, echivalentă cu 22 de ani de înregistrări video HD neîntrerupte, pe care proiectul, cunoscut sub numele de programul MICrONS (The Machine Intelligence from Cortical Networks), le-a pus deja la dispoziția publicului.

Cercetătorii au descris activitatea în mai multe lucrări publicate în revista Nature pe 9 aprilie.

Șoarecii alergau și se uitau la secvențe din Matrix

Pentru a realiza harta, oamenii de știință de la Baylor College of Medicine din Houston au început prin a utiliza microscoape specializate pentru a înregistra activitatea cerebrală într-o porțiune de țesut de 1 milimetru cubic din cortexul vizual al unui șoarece de laborator - unde animalul procesează ceea ce vede - pe parcursul a câteva zile.

Cercetătorii s-au asigurat că șoarecele era treaz și stimulat vizual în timpul imagisticii, punând animalul să alerge pe o bandă de alergare și să urmărească scene de 10 secunde din diverse filme, inclusiv „The Matrix” și „Mad Max: Fury Road”. Clipuri de pe YouTube cu sporturi extreme precum motocross, luge și BASE jumping au făcut, de asemenea, parte din rotația vizionărilor, potrivit unui comunicat de presă al Universității Princeton.

Apoi, după eutanasierea șoarecelui, cercetătorii de la Institutul Allen din Seattle au luat același milimetru cub de creier și l-au feliat în peste 28.000 de straturi, fiecare având 1/400 din lățimea unui fir de păr uman, și au luat imagini ale fiecărei felii pe parcurs. Apoi au reconstruit imaginile într-un compozit.

„Asta ne-a luat aproximativ 12 zile și 12 nopți, echipa făcând ture non-stop; nu pentru că am tăiat-o manual, este o mașină care este automatizată”, a declarat Dr. Nuno Maçarico da Costa, cercetător asociat la Institutul Allen.

„Trebuia să fim acolo pentru a ne opri în orice moment dacă credeam că vom pierde mai mult de o secțiune la rând”. Dacă acest lucru se întâmpla, da Costa a spus că experimentul ar fi trebuit să înceapă de la zero, adăugând că întregul proces a fost foarte „stresant”.

Ajutor primit de cercetători de la inteligența artificială

O echipă de la Universitatea Princeton din New Jersey a implementat ulterior instrumente de învățare automată și inteligență artificială pentru a urmări conturul fiecărui neuron prin felii, colorând neuronii pentru a-i ilumina individual într-un proces numit segmentare. Informațiile generate de inteligența artificială sunt validate sau revizuite de oamenii de știință implicați, un proces care este încă în desfășurare.

Activitatea a culminat cu o imagine unificată a ceea ce oamenii de știință numesc „connectomul” creierului de șoarece, care arată modul în care sunt organizate anumite părți ale creierului de șoarece și oferă o perspectivă asupra modului în care diferite tipuri de celule lucrează împreună.

„Connectome este începutul transformării digitale a științei creierului”, a declarat Dr. Sebastian Seung, profesor Evnin de neuroștiințe la Universitatea Princeton și profesor de informatică.

"Cu câteva apăsări de taste puteți căuta informații și obține rezultatele în câteva secunde. Unele dintre aceste informații ar fi necesitat o întreagă teză de doctorat pentru a fi obținute înainte. Și aceasta este puterea transformării digitale", a declarat el într-un comunicat de presă.

Cartografierea creierului a fost, mult timp, considerată imposibilă

Cartografierea creierului în acest mod a fost considerată multă vreme o provocare imposibilă. Biologul molecular Francis Crick, care a câștigat premiul Nobel pentru descrierea structurii ADN-ului, a sugerat că neuroștiințele nu vor putea niciodată să ajungă la o înțelegere atât de detaliată a creierului.

„Nu are rost să cerem imposibilul, cum ar fi, să zicem, schema electrică exactă pentru un milimetru cub de țesut cerebral și modul în care toți neuronii acestuia funcționează”, scria el în Scientific American în 1979.

„Connectomul” creierului de șoarece se bazează pe lucrări similare efectuate pe creaturi și mai mici: Connectomul viermelui nematod C. elegans a fost finalizat în 2019, iar oamenii de știință au dezvăluit o hartă a tuturor neuronilor din creierul muștelor de fructe în 2024.

Un milimetru cub de creier de șoarece este de aproximativ 20 de ori mai mare decât creierul complet de muscă de fructe și mult mai complex, au spus cercetătorii. Cu toate acestea, obiectivul este de a putea cartografia întregul conectom al creierului de șoarece în viitorul apropiat.

„Creierul uman este de aproximativ 1.500 de ori mai mare decât creierul unui șoarece”

"Cred că în acest moment răspunsul este nu, nu este fezabil, dar cred că toată lumea are idei foarte clare despre cum ar putea trece peste aceste bariere. Sperăm că în trei sau patru ani, vom putea spune, da, este posibil", a declarat Collman pentru CNN.

Cu toate acestea, el a spus că cartografierea conectomului creierului uman cu o rezoluție sinaptică similară ar fi un efort mult mai dificil. „Creierul uman este de aproximativ 1.500 de ori mai mare decât creierul unui șoarece, ceea ce implică o serie de bariere tehnice și etice”, a spus el.

Cu toate acestea, ar putea fi posibilă urmărirea axonilor în întregul creier uman, dacă nu și a conexiunilor sinaptice, a adăugat Dr. Clay Reid, cercetător principal în știința creierului la Institutul Allen.

„Perspectiva de a reconstrui întregul creier uman la nivelul tuturor conexiunilor, este ceva pentru un viitor îndepărtat”.

O nouă modalitate de a studia boala Alzheimer

Neocortexul este deosebit de interesant de studiat, deoarece această regiune a creierului este cea care distinge creierele mamiferelor de cele ale altor vertebrate, au declarat Dr. Mariela Petkova, cercetător asociat, și Dr. Gregor Schuhknecht, cercetător postdoctoral, ambii din cadrul departamentului de biologie moleculară și celulară de la Universitatea Harvard. Petkova și Schuhknecht nu au fost implicați în crearea hărții creierului de șoarece.

„Cercetătorii s-au concentrat asupra acestei regiuni deoarece este considerată, în general, sediul cogniției superioare și joacă un rol-cheie în percepția senzorială, procesarea limbajului, planificare și luarea deciziilor”, au scris ei într-un articol publicat alături de cercetare.

„În mod remarcabil, aceste funcții aparent diferite sunt posibile datorită unui plan care poate fi găsit, cu unele modificări, în toate zonele corticale și la toate mamiferele.”

Șoarecii de laborator sunt deja utilizați pe scară largă pentru a înțelege bolile umane, iar o mai bună înțelegere a formei și a funcției creierului de șoarece va prezenta noi posibilități pentru studierea afecțiunilor creierului uman, cum ar fi Alzheimer, Parkinson, autism și schizofrenie, care implică perturbări ale comunicării neuronale.

„Dacă aveți un radio stricat și aveți diagrama circuitului, veți fi într-o poziție mai bună pentru a-l repara”, a declarat da Costa într-un comunicat de presă. "Noi descriem un fel de hartă Google sau schiță a acestui grăunte de nisip. În viitor, putem folosi acest lucru pentru a compara cablajul cerebral al unui șoarece sănătos cu cablajul cerebral al unui model de boală."