211service.com
Schemat połączeń mózgu
Nowe technologie, które pozwalają naukowcom śledzić drobne okablowanie mózgu dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej, mogą wkrótce wygenerować kompletny schemat okablowania – obejmujący każde maleńkie włókno i maleńkie połączenie – kawałka mózgu. Nazywane konektomiką, mapy te mogą odkryć, w jaki sposób sieci neuronowe wykonują swoje precyzyjne funkcje w mózgu i mogą rzucić światło na zaburzenia, które, jak się uważa, wynikają z wadliwego okablowania, takich jak autyzm i schizofrenia.
Analiza aksonów: Naukowcy opracowują nowe sposoby badania splątanej sieci neuronów w mózgu. Ten obraz przedstawia częściową rekonstrukcję siatkówki królika. Projekcje neuronowe, które łączą neuron z neuronem, są oznaczone różnymi kolorami.
Mózg jest zasadniczo komputerem, który podłącza się podczas rozwoju i może sam się przeprogramować, mówi: Seung seung , neurobiolog obliczeniowy z MIT. Jeśli mamy schemat połączeń mózgu, może nam to pomóc zrozumieć, jak to działa. Na przykład naukowcy wcześniej zidentyfikowali część mózgu ptaka śpiewającego, która jest ważna dla zdolności ptaków do generowania piosenek. Seung chciałby ostatecznie opracować schemat połączeń tej struktury, aby wyjaśnić cechy leżące u podstaw jej wyjątkowych możliwości.
Obecnie istnieje tylko jeden schemat okablowania organizmu: mikroskopijnego robaka C. elegans . Pomimo tego, że zawiera zaledwie 302 neurony, C. elegans w latach 70. prace nad mapowaniem trwały ponad dekadę. Stanowiła nieocenione źródło badań i przyniosła swoim twórcom Nagrodę Nobla.
Przy około 100 miliardach neuronów i 100 bilionach synaps w ludzkim mózgu stworzenie wszechstronnej mapy nawet małego kawałka jest trudnym zadaniem. Szacuje się, że przy użyciu standardowych metod wygenerowanie schematu połączeń pojedynczej kolumny korowej, wąskiej funkcjonalnej jednostki neuronów w korze mózgowej, zajęłoby około trzech miliardów osobolat. Winfried Denk , neurolog z Instytutu Badań Medycznych Maxa Plancka w Heidelbergu w Niemczech.
Multimedia
Obejrzyj trójwymiarową rekonstrukcję kawałka siatkówki królika.
Denk, Seung i ich współpracownicy opracowują teraz czułe, nowe techniki obrazowania i algorytmy uczenia maszynowego, aby zautomatyzować proces budowy. Wygenerowali już częściowy schemat połączeń części siatkówki królika. Ale będą musieli przyspieszyć swoją technikę milion razy, aby w końcu przenieść większe mapy – takie jak kolumna korowa – w sferę rzeczywistości.
Poprzednie próby mapowania okablowania mózgu koncentrowały się na większych cechach anatomicznych, takich jak grube ścieżki okablowania, które łączą różne części mózgu lub na ścieżkach pojedynczych neuronów, zabarwiły określony kolor, aby odróżnić je od ich splątanej mnogości sąsiedzi. Ale aby naprawdę zrozumieć, w jaki sposób sieć neuronów może pełnić konkretną funkcję, naukowcy potrzebują nowego rodzaju mapy. Wiele właściwości funkcji mózgu znajduje się na poziomie obwodu – informacja jest integrowana, przetwarzana, wyodrębniana, mówi Elly Nedivi , neurolog z MIT, który nie jest zaangażowany w badania. Aby zrozumieć, co to oznacza, musisz być w stanie zobaczyć, kto łączy się z kim.
Denk i jego koledzy opracowali nową technikę tworzenia bardziej precyzyjnych map połączeń za pomocą mikroskopii elektronowej. Zaczynając od małego bloku tkanki mózgowej, naukowcy odbijają elektrony od górnej części bloku, aby wygenerować przekrojowy obraz włókien nerwowych w tym skrawku. Następnie zdejmują bardzo cienki, 30-nanometrowy plasterek z górnej części bloku i powtarzają proces. Naukowcy analizują obrazy kawałek po kawałku, aby prześledzić ścieżkę każdego włókna nerwowego. Powtórz ten [proces] tysiące razy, a będziesz mógł przejść przez być może cały mózg muchy, mówi Denk.
Seung i Denk mają na celu radykalne przyspieszenie procesu śledzenia, który zajmuje pojedynczemu absolwentowi tygodni, za pomocą zautomatyzowanych algorytmów uczenia maszynowego. Naukowcy wykorzystują dane z ręcznie wygenerowanego schematu okablowania, aby wytrenować sztuczną sieć neuronową w celu naśladowania procesu śledzenia człowieka. Następnie mogą wykorzystać powstały algorytm do analizy nowych fragmentów tkanki mózgowej. Do tej pory udało im się przyspieszyć ten proces od stu do tysiąca razy.
Naukowcy przedstawili swoje wstępne odkrycia zdumionemu tłumowi w Towarzystwo Neuronauk spotkanie w San Diego na początku tego miesiąca. Pokazali trójwymiarową rekonstrukcję części siatkówki królika zwanej wewnętrzną warstwą splotowatą, która jest fragmentem tkanki nerwowej z tyłu oka, który wyczuwa światło i wysyła informacje wizualne do mózgu. (Zobacz film z rekonstrukcji tutaj.) Ale musimy poprawić 106-krotnie lub więcej, mówi Denk, który szacuje, że zmniejszyłoby to trzy miliardy osobolat, jakie zajęłoby prześledzenie kolumny korowej do około dwóch lat. Jestem przekonany, że w końcu będziemy w stanie to zrobić – mówi. Ale nie wiem, ile nam to zajmie – jeśli mamy szczęście, może za rok.
Na początku tego miesiąca naukowcy z Harvardu opisali nową metodę śledzenia neuronów w żywym mózgu, oznaczając je nawet setką różnych kolorów. (Zobacz The Technicolor Brain.) Zaczynamy myśleć o schematach okablowania jako o podstawach, mówi Jeff Lichtman, jeden z badaczy, którzy opracowali technikę.
Naukowcy twierdzą, że te dwa podejścia prawdopodobnie będą się uzupełniać, umożliwiając naukowcom przyjrzenie się obwodom neuronowym o różnych wymiarach. Ostatecznie Seung zamierza wygenerować mapy kompletnego konektomu muchy, a także częściowe schematy połączeń interesujących lokalizacji w większych mózgach, takich jak hipokamp, opuszka węchowa i siatkówka.
To, ile dokładnie światła te mapy rzucą na mózg, wciąż budzi kontrowersje. Samo poznanie [okablowania] danych nie zaprowadzi nas daleko, jeśli nie umieścimy ich w ramach przetwarzania i przesyłania danych w mózgu, mówi David van Essen , neurolog z Washington University w St. Louis i prezes Society for Neurosciences. Seung i inni mają nadzieję na wygenerowanie map, które uwzględniają biochemiczne i fizjologiczne właściwości różnych komórek w schematach połączeń.