Powstała największa i najbardziej szczegółowa mapa połączeń mózgu ssaka

Badacze opracowali największy i najbardziej szczegółowy schemat połączeń mózgu ssaka na podstawie milimetra sześciennego tkanki mózgowej myszy. Obejmuje on pół miliarda synaps oraz ponad 200 tys. komórek mózgowych. Schemat przedstawia również aktywność poszczególnych neuronów.

Badacze szczegółowo zmapowali komórki w milimetrze sześciennym kory wzrokowej myszy. Chociaż objętość analizowanej tkanki mózgowej była wielkości ziarnka piasku (około 0,2 proc. mózgu myszy), to zawiera ponad 200 tys. komórek mózgowych, z czego około 82 tys. to neurony. Badacze opisali również ponad pół miliarda połączeń neuronowych zwanych synapsami i ponad 4 kilometry połączeń neuronalnych. Efektem tych dziewięcioletnich prac jest trójwymiarowy, najbardziej szczegółowy obraz mózgu ssaka, jaki kiedykolwiek powstał.

Projekt, w ramach którego powstała ta swoista mapa nazywa się MICrONS (Projekt Machine Intelligence from Cortical Networks). Opracowany w nim schemat ma rozmiar 1,6 petabajta i oferuje wgląd w funkcjonowanie mózgu i organizację układu wzrokowego. W badania zaangażowanych było ponad 150 badaczy z 22 instytucji, a rezultaty ich prac ukazały się w serii 10 publikacji na łamach pisma „Nature„.

Mapa połączeń w mózgu myszy

Prace zespołu naukowców mają na celu opracowanie kompletnego schematu połączeń funkcjonalnych części mózgu. Zaczęły się od rejestrowania aktywności milimetra sześciennego kory wzrokowej myszy przy użyciu specjalistycznych mikroskopów, gdy zwierzę oglądało różne filmy i klipy na YouTube. Tę część pracy wykonali naukowcy z Baylor College of Medicine.

Ich koledzy z Allen Institute for Brain Science wzięli ten sam milimetr sześcienny mózgu gryzonia i pokroili go na ponad 25 tys. warstw, każda o szerokości 1/400 ludzkiego włosa. Następnie wykorzystali zestaw mikroskopów elektronowych, aby wykonać zdjęcia o wysokiej rozdzielczości każdego wycinka. Na koniec zespół z Princeton University wykorzystał sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe do rekonstrukcji komórek i połączeń w 3D. To wszystko razem, łącznie z nagraniami aktywności mózgu, stanowi największy schemat połączeń mózgu do tej pory.

Jedyną mapą mózgu o porównywalnej skali jest mapa milimetra sześciennego ludzkiego mózgu, która obejmuje 16 tys. neuronów i 150 milionów synaps. Nowa mapa uchwyciła aktywność dziesiątek tysięcy neuronów wysyłających sygnały i oddziałujących ze sobą w celu przetwarzania informacji wizualnych. Ta mapa aktywności mózgu, wraz ze schematem połączeń, stanowi kamień milowy w konektomice, dziedzinie, której celem jest pokazanie, w jaki sposób mózg przetwarza i organizuje informacje.

W ubiegłym roku inny zespół badawczy opracował konektom mózgu muszki owocowej (więcej na ten temat w tekście: Powstała pierwsza kompletna mapa mózgu muszki owocowej), ale, jak wskazują komentatorzy, nowa praca to zupełnie inny poziom złożoności. Zmapowanie całego ludzkiego mózgu jest obecnie poza zasięgiem badaczy i technologii, ale tego typu prace przybliżają nas właśnie do tego celu.

Nowe ustalenia

Praca przyniosła wgląd w podstawowe zasady, które kształtują obwody neuronowe w mózgu myszy. Na przykład, autorzy odkryli, że neurony w korze mózgowej, które reagują na podobne typy cech wizualnych — takie jak określone kształty lub kierunki ruchu — często tworzą więcej połączeń ze sobą, niezależnie od tego, jak daleko się od siebie znajdują, niż z neuronami, które specjalizują się w innym typie cech.

W badaniach naukowcy zidentyfikowali również nowe typy komórek, ich cechy, zasady organizacji i funkcjonowania. Odkryli również nieznane zachowanie neuronów hamujących, które tłumią aktywność neuronalną. Nie jest to, jak dotąd uważano, prosta siła, która tłumi działanie innych komórek. To znacznie bardziej wyrafinowany mechanizm. Komórki hamujące nie działają losowo, są one wysoce selektywne w kwestii tego, które co biorą za cel, tworząc ogólnosieciowy system koordynacji i współpracy. Niektóre komórki hamujące współpracują ze sobą, tłumiąc wiele komórek pobudzających, podczas gdy inne są bardziej precyzyjne, celując tylko w określone typy.

Naukowcy z MICrONS mają nadzieję, że ich zestaw danych pomoże ujawnić różne cechy i procesy w mózgu. – Istnieje wiele obszarów kory mózgowej, które rozumiemy na różnych poziomach szczegółowości i na różne sposoby. Myślę, że to tak naprawdę dopiero początek powiązania tych struktur i ich funkcji – powiedział Clay Reid, neurobiolog z Allen Institute for Brain Science.

Źródło: Allen Institute for Brain Science, Nature, Science Alert, fot. Forrest Collman/Allen Institute