Složitě detailní 1400TB 3D mozková mapa

Společné úsilí mezi Harvardskou univerzitou a Googlem vedlo k průlomu ve vědě o mozku, vytvoření rozsáhlé 3D mapy malé části lidského mozku, odhalující složité nervové interakce a položení základů pro mapování celého myšího mozku.

Krychlový milimetr mozkové tkáně se může zdát málo. Ale vezmeme-li v úvahu, že malý čtverec obsahuje 57 000 buněk, 230 milimetrů krevních cév a 150 milionů synapsí, což vše představuje 1 400 terabajtů dat, výzkumníci z Harvardu a Google právě dosáhli něčeho obrovského.

Tým na Harvardské univerzitě vedený Jeffem Lichtmanem, Jeremy R. Knowles, profesor molekulární a buněčné biologie a nově jmenovaný děkan vědy, se spojili s výzkumníky Google, aby vytvořili dosud největší synaptické rozlišení a 3D rekonstrukci části lidského mozku. Zobrazuje v živých detailech každou buňku a její síť nervových spojení v kousku lidské časové kůry o velikosti poloviny zrnka rýže.

Technologický pokrok v neurovědě

Působivý počin, zveřejněný v časopise vědy, je nejnovější z téměř 10leté spolupráce s vědci z Google Research, kteří kombinují zobrazování pomocí Lichtmanovy elektronové mikroskopie s algoritmy umělé inteligence ke kódování barev a rekonstrukci vysoce složitého zapojení savčích mozků. Třemi spoluautory článku jsou bývalý postdoktorandský výzkumník z Harvardu Alexander Shapson Kuo; Michal Januszewski z Google Research a postdoktorand z Harvardu Daniel Berger.

Konečným cílem spolupráce, podporované o National Institutes of Health Brain Initiativeje vytvořit mapu neurální kabeláže celého myšího mozku s vysokým rozlišením, která bude vyžadovat asi 1000krát větší množství dat, než je právě produkováno z části 1 krychlového milimetru lidské kůry.

Poznatky z nejnovější mozkové mapy

„Slovo ‚část‘ je směšné,“ řekl Lichtman. „Terabyte je pro většinu lidí obrovský, a přesto část lidského mozku – jen velmi malá část lidského mozku – má stále tisíce terabajtů.“

Nejnovější mapa v časopise Science obsahuje nikdy předtím neviděné detaily struktury mozku, včetně vzácné, ale výkonné sbírky axonů spojených až s 50 synapsemi. Tým také pozoroval tkáňové abnormality, jako je malý počet axonů, které vytvořily rozsáhlé víry. Vzhledem k tomu, že jejich vzorek pocházel od pacienta s epilepsií, nejsou si jisti, zda jsou tyto neobvyklé útvary patologické nebo prostě vzácné.

Obor komunikační vědy

Lichtmanovým oborem je „nauka o spojení“, která se podobně jako genomika snaží vytvořit komplexní katalogy struktury mozku až po jednotlivé buňky a kabeláž. Takto dokončené mapy by osvětlily cestu k novým pohledům na mozkové funkce a nemoci, o kterých vědci stále vědí velmi málo.

Špičkové algoritmy AI společnosti Google umožňují rekonstruovat a mapovat mozkovou tkáň ve třech rozměrech. Tým také vyvinul sadu veřejně dostupných nástrojů, které mohou výzkumníci použít k prozkoumání a anotaci neuronové sítě.

Budoucí trendy

„Vzhledem k obrovským investicím, které byly do tohoto projektu vloženy, bylo důležité prezentovat výsledky tak, aby z nich nyní mohli mít prospěch všichni ostatní,“ řekla spolupracovnice výzkumu Google Viren Jain.

Dále se tým bude zabývat tvorbou hipokampu u myši, který je důležitý pro neurovědu pro svou roli v paměti a neurologických onemocněních.

Odkaz: „Petavoxelová část lidské mozkové kůry rekonstruovaná v Nano měřítko “Resolution” od Alexander Shapson Kuo, Michal Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuhong Wang, Jeremy Maiten Shepherd, Neha Karlopia, Sven Durkenwald, Evelina Sjostedt , Laramie Levitt, Donghill Li, Jacob Truedle, Forrest Coleman, Luke Bailey, Angerika Fitzmaurice, Ruhin Carr, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Karina, David Aaliyah, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg a Viren Jane a Jeff W. Lichtman, 10. května 2024, vědy.
doi: 10.1126/science.adk4858