Дослідники Google змоделювали всі 150 мільйонів зв'язків фрагмента людського мозку з нанорозмірною роздільною здатністю
Дослідники картографували крихітний шматочок людського мозку з дивовижною деталізацією. Створений в результаті атлас клітин, розкриває нові структури зв'язків між клітинами мозку, які називаються нейронами, а також клітини, які обертаються навколо себе, утворюючи вузли, і пари нейронів, які є майже дзеркальним відображенням один одного.
3D-карта охоплює об'єм близько одного кубічного міліметра, що становить одну мільйонну частину цілого мозку, і містить приблизно 57 тисяч клітин та 150 мільйонів синапсів – зв'язків між нейронами. Він вміщує колосальні 1,4 петабайта даних. «Це дещо скромно, – каже Вірен Джайн, нейробіолог з Google в Маунтін-В'ю, Каліфорнія, і співавтор статті. «Як ми коли-небудь зможемо по-справжньому змиритися з усією цією складністю?»
Шматочки мозку
Фрагмент мозку був взятий у 45-річної жінки, коли їй робили операцію з лікування епілепсії. Він походить з кори головного мозку – частини мозку, яка відповідає за навчання, вирішення проблем та обробку сенсорних сигналів. Зразок був занурений у консерванти і забарвлений важкими металами, щоб клітини було легше побачити. Нейробіолог Джеф Ліхтман з Гарвардського університету та його колеги розрізали зразок на близько 5 тис. шматочків – кожен товщиною всього 34 нанометри – які можна було розглянути за допомогою електронних мікроскопів.
Потім команда Джайна створила моделі зі штучним інтелектом, які змогли з'єднати мікроскопічні зображення разом, щоб реконструювати цілий зразок у 3D. «Я пам'ятаю цей момент, коли я зайшов у карту і подивився на один окремий синапс з мозку цієї жінки, а потім зменшив масштаб до інших мільйонів пікселів», – каже Джайн. «Це відчувалося як щось величне».
При детальному вивченні моделі дослідники виявили нетрадиційні нейрони, в тому числі такі, що мали до 50 зв'язків один з одним. «Загалом, між двома нейронами можна знайти щонайбільше пару зв'язків», – каже Джайн. В іншому місці модель показувала нейрони з вусиками, які утворювали навколо себе вузли. «Ніхто не бачив нічого подібного раніше», – додає Джайн.
Команда також знайшла пари нейронів, які були майже ідеальними дзеркальними відображеннями один одного. «Ми знайшли дві групи, які посилали свої дендрити в двох різних напрямках, і іноді спостерігалася своєрідна дзеркальна симетрія», – каже Джайн. Наразі незрозуміло, яку роль ці особливості відіграють у мозку.
Потребуються коректори
Карта настільки велика, що більшу її частину ще треба перевірити вручну, бо вона все ще може містити помилки, створені процесом з'єднання такої кількості зображень разом. «Сотні клітинок пройшли «коректуру», але це, очевидно, лише декілька відсотків від 50 тис. клітинок», – каже Джайн. Він сподівається, що інші допоможуть провести коректуру тих частин карти, які їх цікавлять. Команда планує створити подібні карти зразків мозку інших людей, але карта всього мозку навряд чи з'явиться в найближчі кілька десятиліть, зазначає він.
«Ця робота є справжнім проривом у створенні масиву даних про кору головного мозку людини, – каже Хункуй Цзен, директор Інституту Аллена з вивчення мозку в Сіетлі. Вона додає, що величезний обсяг даних, який став загальнодоступний, «дозволить спільноті глибше зазирнути в мікросхеми кори головного мозку людини».
Глибше розуміння того, як працює кора головного мозку, може дати підказки про те, як лікувати деякі психіатричні та нейродегенеративні захворювання. «Ця карта містить безпрецедентні деталі, які можуть відкрити нові правила нейронних зв'язків і допомогти розшифрувати внутрішню роботу людського мозку», – каже Йонгсу Кім, нейробіолог з Університету штату Пенсильванія в Херші.
Carissa Wong
A Cubic Millimeter of a Human Brain Has Been Mapped in Spectacular Detail
Scientific American, 15.05.2024
24.12.2024