Sukurta didžiausia 3D žmogaus smegenų fragmento rekonstrukcija

Kubinis milimetras smegenų audinio gali atrodyti nedaug. Tačiau atsižvelgiant į tai, kad tame mažame kvadrate yra 57 000 ląstelių, 230 milimetrų kraujagyslių ir 150 milijonų sinapsių, iš viso 1400 terabaitų duomenų, Harvardo ir „Google“ tyrėjai padarė didžiulę pažangą.

Harvardo universiteto komanda, vadovaujama Jeffo Lichtmano, Jeremy R. Knowleso molekulinės ir ląstelių biologijos profesoriaus ir naujai paskirto Gamtos mokslų fakulteto dekano, bei „Google“ tyrėjų, sukūrė didžiausią iki šiol trimatę žmogaus smegenų rekonstrukciją sinapsiniame lygmenyje, kurioje ryškiai ir detaliai pavaizduota kiekviena ląstelė ir jos neuroninių jungčių tinklas maždaug pusės ryžio grūdo dydžio žmogaus smilkininės žievės dalyje.

Šis žurnale „Science“ paskelbtas pasiekimas yra naujausias beveik dešimtmetį trukusio bendradarbiavimo su „Google Research“ mokslininkais rezultatas, kurio metu Lichtmano elektroninė mikroskopija derinama su dirbtinio intelekto algoritmais, siekiant spalviškai koduoti ir rekonstruoti itin sudėtingus žinduolių neuroninius laidus. Trys straipsnio bendraautoriai yra buvęs Harvardo podoktorantūros stažuotojas Alexanderis Shapsonas-Ko, „Google Research“ Michalas Januszewskis ir Harvardo podoktorantūros stažuotojas Danielis Bergeris.

Galutinis bendradarbiavimo, kurį remia Nacionalinių sveikatos institutų BRAIN iniciatyva, tikslas – sukurti didelės skiriamosios gebos neuroninio ryšio žemėlapį visoje pelės smegenyse, o tam reikėtų apie 1000 kartų daugiau duomenų, nei jie ką tik gavo iš vieno kubinio milimetro žmogaus žievės.

Žodis „fragmentas“ yra ironiškas. Terabaitas daugumai žmonių yra didžiulis kiekis, bet žmogaus smegenų fragmentas – tik maža, maža žmogaus smegenų dalis – vis tiek yra tūkstančiai terabaitų.

Jeffas Lichtmanas, Jeremy R. Knowlesas, molekulinės ir ląstelinės biologijos profesorius

Naujausiame žurnale „Science“ paskelbtame žemėlapyje pateikiamos anksčiau nematytos smegenų struktūros detalės, įskaitant retą, bet galingą aksonų tinklą, sujungtą iki 50 sinapsių. Komanda taip pat atkreipė dėmesį į kai kuriuos audinio ypatumus, pavyzdžiui, nedidelį skaičių aksonų, sudarančių plačias spirales. Kadangi jų mėginys buvo paimtas iš epilepsija sergančio paciento, jie nėra tikri, ar tokios neįprastos formacijos yra patologinės, ar tiesiog retos.

Lichtmano tyrimų sritis yra „konnektomika“, kuri, kaip ir genomika, siekia sukurti išsamius smegenų struktūros katalogus, apimančius atskiras ląsteles ir jungtis. Tokie išsamūs žemėlapiai nušvies kelią į naują smegenų funkcijų ir ligų, apie kurias mokslininkai vis dar žino labai mažai, supratimą.

„Google“ pažangiausi dirbtinio intelekto algoritmai gali rekonstruoti ir kartografuoti smegenų audinį trimis matmenimis. Komanda taip pat sukūrė viešai prieinamų įrankių rinkinį, kurį tyrėjai gali naudoti norėdami tyrinėti ir komentuoti konektomą.

„Atsižvelgiant į didžiules investicijas, kurios buvo skirtos šiam projektui, buvo svarbu rezultatus pateikti taip, kad jais galėtų pasinaudoti ir kažkas kitas“, – teigė „Google“ tyrimų bendradarbis Virenas Jainas.

Toliau komanda taikysis į pelės hipokampo regioną, kuris yra svarbus neurologijos mokslui dėl jo vaidmens atmintyje ir neurologinėse ligose.