Google създаде най-детайлната карта на човешки мозък

Google помогна за създаването на най-подробната досега карта на връзките в човешкия мозък. Тя разкрива зашеметяващо количество детайли, включително модели на връзки между невроните, както и това, което би могло да се окаже нов вид неврон, пише New Scientist.

Мозъчната карта, която е безплатно достъпна онлайн, включва 50 000 клетки, всички представени в три измерения. Те са обединени от стотици милиони окончания, които образуват 130 милиона връзки, наречени синапси. Наборът от данни се равнява на 1,4 петабайта, което е приблизително 700 пъти по-голям капацитет за съхранение от средностатистически модерен компютър.

Наборът от данни е толкова голям, че изследователите не са го проучили подробно, казва Вирен Жаин от Google Research в Маунтин Вю, Калифорния. Той го сравнява с човешкия геном, който все още се изследва 20 години след публикуването на първите чернови.

За първи път виждаме истинската структура на толкова голямо парче от човешкия мозък, казва Катрин Дюлак от Харвардския университет, която не е участвала в работата. 

Това огромно начинание започва, когато екип, ръководен от Джеф Лихтман, също от Харвардския университет, получава мъничко парченце мозък от 45-годишна жена с резистентна на лекарства епилепсия. Тя е претърпяла операция за отстраняване на левия хипокампус, източник на нейните припадъци, от мозъка. За целта хирурзите трябва да премахнат някои здрави мозъчни тъкани, които покриваха хипокампуса.

Лихтман и неговият екип незабавно потапят пробата в консерванти, след което я оцветяват с тежки метали като осмий, така че външните мембрани на всяка клетка да се виждат под електронен микроскоп. След това го вграждат в смола, за да го втвърдят. Накрая го нарязват на филийки с дебелина около 30 нанометра или около една хилядна от ширината на човешки косъм и използват електронен микроскоп, за да разгледат всяко парченце.

В този момент екипът на Жаин от Google поема, сглобявайки двуизмерните парчета/филийки, които Жайн нарича „деликатесен подход към мозъка“, за да образува триизмерен обем. Те използват машинно обучение, за да реконструират нишките, свързващи един неврон с друг и отбелязват различните видове клетки.

Всичко това описва само малка част от мозъка. Жаин казва, че мащабът се разбира най-добре, като се мисли за сканиране с функционален магнитен резонанс (фЯМР), използван за показване на активност в различни мозъчни региони. „Целият набор от данни, който създадохме, е кубичен милиметър, което обикновено е един пиксел при ЯМР сканиране“, казва той. „Интересно е да се разкрият всички неща под капака на един пиксел от ЯМР.“

За Дюлак наборът от данни е „купчина от екстри за години напред“. Екипът вече направи нови открития за това как е свързан мозъкът ни: например, има рязко несъответствие в броя на връзките между невроните. Обикновено, когато нишка от един неврон преминава близо до друг, тя ще образува само един синапс или по-рядко 2 до 4. Но има и някои нишки, които образуват до 20 синапса върху един целеви неврон, което означава, че тази нишка сама по себе си вероятно ще може да задейства този неврон.

Не е ясно защо, но Лихтман предполага, че връзките с много синапси са в основата на наученото поведение. „Има много неща, които мозъкът ти прави чрез познание, като мисли и разгадава и взема решение, а има много неща, които правиш автоматично, които не биха могли да дойдат генетично“, казва той, като спиране, когато видиш червена светлина например. Свръхсилните връзки биха позволили съобщението да премине бързо през мрежата.

Екипът също така открива мистериозни двойки неврони дълбоко в мозъчната кора, които не са били наблюдавани преди. „Двете клетки са насочени в точно обратната посока на една и съща ос“, казва Лихтман. Никой не знае защо.

Картографирането на мозъка или конектомиката е изминало дълъг път от първия си пробив през 80-те години, когато изследователите са картографирали 302 неврона в нервната система на червей, наречен Caenorhabditis elegans. Жаин, Дюлак и Лихтман са част от група, която през 2020 г. се аргументира в полза на картографирането на цял мозък на мишка с подобно ниво на детайлност.

„Целият мозък на мишката е само 1000 пъти по-голям от този, екзабайт вместо петабайт“, казва Лихтман. „Това е в мащаб, при който вероятно ще можем да го направим в рамките на едно десетилетие, подозирам.“ Дюлак иска да види как кортексът (мозъчната кора) се свързва с други части на мозъка и картографирането на мозъка на мишката би разкрило това.

Картографирането на цял човешки мозък ще се нуждае от набор от данни, който е още 1000 пъти по-голям, зетабайт, който според Лихтман е „сравним с количеството цифрово съдържание, генерирано за една година от планетата Земя“.

Но това може да не си струва. „Можем да открием, че голяма част от тях са кодираща информация, получена чрез опит, и следователно всеки мозък ще бъде нещо различно от всеки друг“, казва той. Без да разберем как се съхранява информацията, данните биха били глупости, казва той.

По-непосредствената полза би била да се изследва как се различава клетъчната карта при хора с психични заболявания, казва Дюлак. „Подобни проучвания могат да бъдат направени при пациенти, които също имат някакви психични заболявания“, казва тя, за да хвърли повече светлина върху това как се проявяват състояния като шизофрения.