Pod mikroskopom: Kako en milimeter možganskega tkiva razkriva skrivnosti uma

“Terabajt je za večino ljudi ogromen, a fragment človeških možganov — le majhna, drobna malenkost človeških možganov — predstavlja še vedno tisoče terabajtov,” je poudaril Jeff Lichtman, profesor molekularne in celične biologije na Harvardu.

Jeff Lichtman, FOTO: Kris Snibbe/Harvard Staff Photographer

V osrčju te raziskave je najobsežnejša 3D rekonstrukcija človeških možganov doslej, ki natančno prikazuje vsako celico in njeno mrežo povezav v delu temporalne skorje, velikem približno kot polovica zrna riža. Raziskava, objavljena v znanstveni reviji Science, je plod skoraj desetletnega sodelovanja z znanstveniki iz Google Research, kjer so Lichtmanove tehnike elektronske mikroskopije združene z algoritmi umetne inteligence za barvno kodiranje in rekonstrukcijo izjemno zapletenih povezav sesalčevih možganov. Ta monumentalni dosežek ni samo akademski uspeh, temveč ima širše posledice.

 “Glede na ogromen vložek v ta projekt je bilo pomembno, da so rezultati predstavljeni na način, da jih lahko zdaj izkoristi kdorkoli,” je izpostavil Viren Jain, sodelavec iz Googla.

FOTO: Google Research and Lichtman Lab.

Tehnologija na delu: AI in mikroskopija

Združitev napredne tehnologije umetne inteligence, ki jo je razvil Google, in elektronske mikroskopije, ki jo izvaja Lichtmanov laboratorij, je omogočila barvno kodiranje in tridimenzionalno rekonstrukcijo izjemno kompleksne mreže možganskih povezav. Ta pristop ne samo da povečuje razumevanje kompleksnosti možganskih struktur, temveč tudi odpira nova vrata v razumevanje možganskih funkcij in bolezni.

Odkritja in prihodnji izzivi

Raziskovalna ekipa je v svoji študiji odkrila še nikoli videne podrobnosti o strukturi možganov, vključno z redkim, a močnim sklopom aksonov, povezanih z do 50 sinapsami. Zaradi nekaterih neobičajnosti v tkivu, kot so obsežni vrtinci na majhnem številu aksonov, pridobljenih od pacienta z epilepsijo, raziskovalci še niso prepričani, ali so te formacije patološke ali zgolj redke.

En sam nevron (bel) prikazan s 5.600 aksoni (modri), ki se nanj povezujejo. Sinapse, ki ustvarjajo te povezave, so prikazane v zeleni barvi.
FOTO: Google Research & Lichtman Lab (Univerza Harvard). Vizualizacije D. Bergerja (Univerza Harvard).

Naslednji velik cilj raziskovalne skupine je ustvariti celovit, visokoločljiv zemljevid nevronskih povezav mišjega možganja, kar bi lahko vključevalo do 1000-krat več podatkov kot trenutno pridobljeni fragment človeške skorje. Ta projekt ima ključno vlogo v nevroznanosti, saj prispeva k razumevanju spomina in nevroloških bolezni.

To odkritje ne prinaša le novih znanstvenih spoznanj, temveč tudi upanje za prihodnje raziskave, ki bi lahko enkrat za vselej razrešile nekatere od največjih ugank človeškega uma. V luči tako velikega napredka ostaja skupnost znanstvenikov in javnost z nestrpnostjo pričakovati, kaj bo prinesla naslednja faza raziskav.

Raziskava, ki je tako velikopotezna v svoji viziji, kot je ta, obljublja, da bo vsak nov podatek, ki ga pridobimo, razširil naša obzorja in poglobil naše razumevanje kompleksnega orkestra, ki ga predstavljajo človeški možgani.

Vizualizacija, temelječa na podatkih iz elektronskega mikroskopa, prikazuje položaje nevronov v fragmentu možganske skorje. Nevroni so obarvani glede na velikost. FOTO: Google Research & Lichtman Lab (Univerza Harvard). Vizualizacije D. Bergerja (Univerza Harvard).

Področje konnektomike, ki ga vodi Lichtman, si prizadeva izdelati obsežne kataloge strukture možganov do ravni posameznih celic. Takšni dokončani zemljevidi bi omogočili nova spoznanja o možganskih funkcijah in boleznih, o katerih znanstveniki še vedno vedo zelo malo. Z napredkom te raziskave se odpirajo nova vrata v razumevanje ene najbolj kompleksnih struktur v naravi — človeških možganov.