Εγγραφείτε στο επιστημονικό ενημερωτικό δελτίο του CNN στο Wonder Theory. Εξερευνήστε το σύμπαν με νέα σχετικά με συναρπαστικές ανακαλύψεις, επιστημονικές προόδους και πολλά άλλα.
Πριν από δέκα χρόνια, ο Δρ. Jeff Lichtman – Καθηγητής Μοριακής και Κυτταρικής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ – ένα μικρό δείγμα εγκεφάλου στο εργαστήριό του.
Αν και μικροσκοπικός, ο ιστός του 1 κυβικού χιλιοστού ήταν αρκετά μεγάλος ώστε να περιέχει 57.000 κύτταρα, 230 χιλιοστά αιμοφόρων αγγείων και 150 εκατομμύρια συνάψεις.
«Ήταν μικρότερο από έναν κόκκο ρυζιού, αλλά αρχίσαμε να το κόβουμε και να το κοιτάμε και ήταν πραγματικά όμορφο», είπε. «Όμως, καθώς συλλέγαμε τα δεδομένα, συνειδητοποίησα ότι είχαμε τρόπο, πολύ περισσότερο από ό,τι μπορούσαμε να χειριστούμε».
Τελικά, ο Lichtman και η ομάδα του έφτασαν σε 1.400 terabytes δεδομένων από το δείγμα – περίπου το περιεχόμενο ενός δισεκατομμυρίου βιβλίων. Τώρα, μετά από δεκαετίες στενής συνεργασίας μεταξύ της ομάδας του εργαστηρίου και των επιστημόνων της Google, αυτά τα δεδομένα έχουν μετατραπεί στον πιο λεπτομερή χάρτη δείγματος ανθρώπινου εγκεφάλου που δημιουργήθηκε ποτέ.
300 εκατομμύρια εικόνες
Το δείγμα εγκεφάλου προήλθε από ασθενή με σοβαρή επιληψία. Σύμφωνα με τον Lichtman, μια τυπική διαδικασία είναι να αφαιρέσετε ένα μικρό μέρος του εγκεφάλου για να σταματήσετε τις κρίσεις και στη συνέχεια να εξετάσετε τον ιστό για να βεβαιωθείτε ότι είναι φυσιολογικό. “Αλλά ήταν ανώνυμα, οπότε δεν ήξερα σχεδόν τίποτα για τον ασθενή εκτός από την ηλικία και το φύλο του”, είπε.
Για να αναλύσουν το δείγμα, ο Lichtman και η ομάδα του το έκοψαν πρώτα σε λεπτές τομές χρησιμοποιώντας ένα μαχαίρι με άκρη λεπίδας διαμαντιού. Τα τμήματα στη συνέχεια ενσωματώθηκαν σε μια σκληρή ρητίνη και κόπηκαν ξανά σε πολύ λεπτές φέτες. «Περίπου 30 νανόμετρα, ή περίπου το ένα χιλιοστό του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας. «Θα ήταν σχεδόν αόρατα αν δεν τα είχαμε χρωματίσει με βαρέα μέταλλα, τα οποία τα έκαναν ορατά χρησιμοποιώντας απεικόνιση ηλεκτρονίων», είπε.
Στο τέλος, η ομάδα είχε αρκετές χιλιάδες φέτες που καταγράφηκαν χρησιμοποιώντας μια προσαρμοσμένη κολλητική ταινία, δημιουργώντας ένα είδος ταινίας φιλμ: «Αν τραβήξετε μια φωτογραφία καθενός από αυτά τα τμήματα και ευθυγραμμίσετε αυτές τις εικόνες, θα έχετε μια τρισδιάστατη κομμάτι του εγκεφάλου σε μικροσκοπικό επίπεδο».
Τότε οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι χρειάζονταν βοήθεια με τα δεδομένα επειδή οι εικόνες που θα προέκυπταν θα καταλάμβαναν πολύ χώρο αποθήκευσης.
Ο Λίχτμαν γνώριζε ότι η Google εργαζόταν σε έναν ψηφιακό χάρτη του εγκεφάλου μιας μύγας φρούτων, που κυκλοφόρησε το 2019, και διέθετε το κατάλληλο υλικό υπολογιστή για την εργασία. Επικοινώνησε με τη Viren Jain, μια ανώτερη ερευνήτρια της Google που εργαζόταν στο έργο μύγα φρούτων.
«Υπήρχαν 300 εκατομμύρια μεμονωμένες εικόνες (στα δεδομένα του Χάρβαρντ)», είπε ο Τζέιν. «Το ιδιαίτερο με τα δεδομένα είναι ότι απεικονίζονται σε πολύ υψηλή ανάλυση, δηλαδή στο επίπεδο μιας μόνο σύναψης. Και μόνο σε αυτό το μικρό δείγμα εγκεφαλικού ιστού υπήρχαν 150 εκατομμύρια συνάψεις».
Για να κατανοήσουν τις εικόνες, οι επιστήμονες της Google χρησιμοποίησαν επεξεργασία και ανάλυση βασισμένη σε τεχνητή νοημοσύνη, προσδιορίζοντας ποιος τύπος κυττάρων περιείχε κάθε εικόνα και πώς συνδέονται μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα είναι ένα διαδραστικό τρισδιάστατο μοντέλο εγκεφαλικού ιστού και το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων μιας ανθρώπινης δομής εγκεφάλου που δημιουργήθηκε ποτέ σε αυτήν την ανάλυση. Η Google το έκανε διαθέσιμο στο διαδίκτυο ως «Neuroglancer» και την ίδια στιγμή δημοσιεύτηκε μια μελέτη στο περιοδικό Science, του οποίου οι συν-συγγραφείς ήταν οι Lichtman και Jain.
Κατανόηση του εγκεφάλου
Η συνεργασία μεταξύ των ομάδων του Χάρβαρντ και της Google οδήγησε σε έγχρωμες εικόνες που κάνουν τα μεμονωμένα στοιχεία πιο ορατά, αλλά κατά τα άλλα παρέχουν μια αληθινή αναπαράσταση του ιστού.
«Τα χρώματα είναι εντελώς αυθαίρετα», εξήγησε ο Jain, «αλλά πέρα από αυτό δεν υπάρχει μεγάλη καλλιτεχνική ελευθερία εδώ, το θέμα είναι ότι δεν το επινοούμε – αυτοί είναι οι πραγματικοί νευρώνες, τα πραγματικά καλώδια, σε αυτόν τον εγκέφαλο υπάρχουν, και στην πραγματικότητα απλώς το κάνουμε βολικό και προσβάσιμο για τους βιολόγους να το δουν και να το μελετήσουν».
Τα στοιχεία περιείχαν κάποιες εκπλήξεις. Για παράδειγμα, αντί να σχηματίζουν μια ενιαία σύνδεση, τα ζεύγη νευρώνων αποτελούνται από περισσότερους από 50. «Είναι σαν δύο σπίτια σε ένα τετράγωνο να είχαν 50 ξεχωριστές τηλεφωνικές γραμμές που τα συνδέουν; Γιατί συνδέονται τόσο έντονα; Δεν γνωρίζουμε ακόμη ποια λειτουργία ή σημασία έχει αυτό το φαινόμενο, πρέπει να το μελετήσουμε περαιτέρω», είπε.
Τελικά, η παρατήρηση του εγκεφάλου σε αυτό το επίπεδο λεπτομέρειας θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν τα άλυτα ιατρικά προβλήματα, είπε ο Lichtman.
«Τι σημαίνει να κατανοούμε τον εγκέφαλό μας; Ίσως το καλύτερο που μπορούμε να κάνουμε είναι να το περιγράψουμε και να ελπίζουμε ότι από αυτές τις περιγραφές θα προκύψει κάποια εικόνα, για παράδειγμα, σχετικά με το πώς διαφέρουν οι φυσιολογικοί εγκέφαλοι από εγκεφάλους που είναι διαταραγμένοι, σε ψυχιατρικές διαταραχές ενηλίκων ή σε αναπτυξιακές διαταραχές όπως το φάσμα του αυτισμού – «Αυτό το είδος σύγκρισης θα είναι πολύ πολύτιμο», είπε. «Τελικά, θα μας δώσει μια εικόνα για τα λάθη για τα οποία, στις περισσότερες περιπτώσεις, είμαστε ακόμα στο σκοτάδι».
Ο Lichtman πιστεύει επίσης ότι το σύνολο δεδομένων θα μπορούσε να γεμίσει με άλλες εκπληκτικές λεπτομέρειες που δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη λόγω του μεγέθους του: “Και γι’ αυτό το μοιραζόμαστε στο διαδίκτυο, ώστε όλοι να μπορούν να το κοιτάξουν και να βρουν πράγματα”, πρόσθεσε.
Στη συνέχεια, η ομάδα πίσω από το έργο θέλει να δημιουργήσει έναν πλήρη χάρτη του εγκεφάλου ενός ποντικιού, ο οποίος θα απαιτούσε μεταξύ 500 και 1.000 φορές την ποσότητα δεδομένων από ένα δείγμα ανθρώπινου εγκεφάλου.
«Αυτό θα σήμαινε 1 exabyte, που είναι 1.000 petabyte», είπε ο Lichtman. «Πολλοί άνθρωποι σκέφτονται σκληρά για το πώς πρέπει να το κάνουμε αυτό, και βρισκόμαστε στον πρώτο χρόνο μιας πενταετούς απόδειξης της αρχής. Νομίζω ότι η ύπαρξη ενός πλήρους διαγράμματος καλωδίωσης του εγκεφάλου των θηλαστικών θα άλλαζε το παιχνίδι για τη νευροεπιστήμη. θα απαντούσε σε πολλά, πολλά ερωτήματα. Και φυσικά θα έφερνε στο φως πολλά περισσότερα προβλήματα, πράγματα που δεν περιμέναμε».
Τι θα λέγατε να χαρτογραφήσετε έναν ολόκληρο ανθρώπινο εγκέφαλο; Αυτό θα ήταν άλλες 1.000 φορές μεγαλύτερο, εξήγησε ο Lichtman, που σημαίνει ότι ο όγκος των δεδομένων θα ήταν 1 zettabyte. Το 2016, αυτό ήταν το μέγεθος όλης της διαδικτυακής κίνησης για το έτος, σύμφωνα με τη Cisco. Προς το παρόν, λέει ο Lichtman, όχι μόνο θα ήταν δύσκολο να αποθηκεύσετε τόσα πολλά δεδομένα, αλλά δεν θα υπήρχε ηθικά αποδεκτός τρόπος για να αποκτήσετε έναν παρθένο, καλά διατηρημένο ανθρώπινο εγκέφαλο.
Ακολουθήστε νέους τρόπους
Ερευνητές στον ίδιο τομέα που δεν συμμετείχαν στην εργασία εξέφρασαν ενθουσιασμό όταν το CNN επικοινώνησε μαζί τους για σχόλια.
«Αυτή η μελέτη είναι υπέροχη και υπάρχουν τόσα πολλά να μάθουμε από δεδομένα όπως αυτό», δήλωσε ο Michael Bienkowski, επίκουρος καθηγητής φυσιολογίας και νευροεπιστήμης στο Keck School of Medicine στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια.
“Πολλά από αυτά που πιστεύουμε ότι γνωρίζουμε για τον ανθρώπινο εγκέφαλο προέρχονται από ζώα, αλλά η έρευνα όπως αυτή είναι ζωτικής σημασίας για να μάθουμε τι πραγματικά μας κάνει ανθρώπους Η οπτικοποίηση των νευρώνων και άλλων εγκεφαλικών κυττάρων είναι σημαντική λόγω της απόλυτης πυκνότητας και πολυπλοκότητάς τους.” μια πραγματική πρόκληση και το τρέχον σύνολο δεδομένων δεν καταγράφει συνδέσεις σε μεγαλύτερες αποστάσεις», δήλωσε ο Bienkowski.
«Από ποιες άλλες περιοχές του εγκεφάλου προέρχονται αυτές οι εισροές και πού πηγαίνουν οι έξοδοι όταν φεύγουν από την περιοχή; Αλλά το να βλέπεις όλους αυτούς τους διαφορετικούς τύπους κυττάρων και τις αλληλεπιδράσεις τους είναι απίστευτο και σε κάνει να συνειδητοποιήσεις τι μας χάρισε ένα αριστούργημα αρχιτεκτονικής η ζωή», πρόσθεσε.
Ο Ανδρέας Τόλιας, καθηγητής οφθαλμολογίας στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ στην Καλιφόρνια, συμφώνησε. «Πρόκειται για μια αξιοσημείωτη τεχνική μελέτη που αναδομεί τη δομή του ανθρώπινου φλοιού σε υψηλή ανάλυση», είπε. «Ήμουν ιδιαίτερα ενθουσιασμένος με την ανακάλυψη σπάνιων αξόνων που μπορούν να σχηματίσουν έως και 50 συνάψεις. Αυτό το εύρημα είναι ενδιαφέρον και εγείρει σημαντικά ερωτήματα σχετικά με τον υπολογιστικό τους ρόλο».
Σύμφωνα με τον νευροεπιστήμονα Όλαφ Σπορνς, το έργο χαρτογράφησης εγκεφάλου ανοίγει την πόρτα για μελλοντική έρευνα.
«Κάθε ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ένα τεράστιο δίκτυο δισεκατομμυρίων νευρικών κυττάρων», δήλωσε ο Sporns, διακεκριμένος καθηγητής ψυχολογίας και εγκεφαλικών επιστημών στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα. «Αυτό το δίκτυο επιτρέπει στα κύτταρα να επικοινωνούν με πολύ συγκεκριμένα μοτίβα που είναι θεμελιώδη για τη μνήμη, τη σκέψη και τη συμπεριφορά. «Η χαρτογράφηση αυτού του δικτύου, του ανθρώπινου συνδέσμου, είναι κρίσιμη για την κατανόηση του πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος», πρόσθεσε, σημειώνοντας ότι η μελέτη ανοίγει νέους δρόμους προς αυτόν τον σημαντικό στόχο και προσφέρει συναρπαστικές νέες ευκαιρίες για εξερεύνηση και ανακάλυψη.
Για περισσότερες ειδήσεις και ενημερωτικά δελτία του CNN, δημιουργήστε έναν λογαριασμό στο CNN.com