Raziskovalci so dokončali najnaprednejši zemljevid možganov žuželke do zdaj, kar je prelomni dosežek v nevroznanosti, ki znanstvenike približuje resničnemu razumevanju mehanizma mišljenja.
Osupljivo podroben diagram
Mednarodna ekipa pod vodstvom Univerze Johns Hopkins in Univerze v Cambridgeu je izdelala osupljivo podroben diagram, na katerem so sledili vsaki nevronski povezavi v možganih ličinke sadne mušice, arhetipskega znanstvenega modela z možgani, primerljivimi s človeškimi.
Delo, ki bo verjetno podlaga za prihodnje raziskave možganov in navdih za nove arhitekture strojnega učenja, je bilo objavljeno v reviji Science.
»Če želimo razumeti, kdo smo in kako razmišljamo, je del tega tudi razumevanje mehanizma mišljenja,« je dejal glavni avtor Joshua T. Vogelstein, biomedicinski inženir univerze Johns Hopkins, ki je specializiran za projekte, ki temeljijo na podatkih, vključno s študijo povezav živčnega sistema. »Ključ do tega pa je poznavanje načina, kako se nevroni med seboj povezujejo.«
Prvi poskus kartiranja možganov star že 50 let
Prvi poskus kartiranja možganov, ki se je začel v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, je prinesel delni zemljevid in Nobelovo nagrado. Od takrat so bili delno kartirani v številnih sistemih, vključno z muhami, mišmi in celo ljudmi, vendar te rekonstrukcije običajno predstavljajo le majhen del celotnih možganov. Celoviti zemljevidi so bili ustvarjeni le za nekaj majhnih vrst z nekaj sto do nekaj tisoč nevroni v telesu.
Povezovalni sistem mlade sadne mušice, ličinke Drosophila melanogaster, ki ga je izdelala ta ekipa, je najpopolnejši in najobsežnejši zemljevid celotnih možganov žuželk, kar jih je bilo doslej izdelanih. Vključuje 3.016 nevronov in vse povezave med njimi: 548.000.
»Minilo je že 50 let, pa je to prvi možganski povezovalni načrt. To je zastava v pesku, da to lahko naredimo,« je dejal Vogelstein. »Vse je bilo pripravljeno na to.«
Kartiranje celotnih možganov je težavno in zelo zamudno
Kartiranje celotnih možganov je težavno in zelo zamudno, tudi z najboljšo sodobno tehnologijo. Za pridobitev popolne slike možganov na celični ravni je treba možgane razrezati na stotine ali tisoče posameznih vzorcev tkiva, ki jih je treba vse slikati z elektronskimi mikroskopi, nato pa sledi naporen proces rekonstrukcije vseh teh delov, nevron za nevronom, v popoln in natančen portret možganov. Za to je bilo potrebno več kot desetletje, da je to uspelo z mlado sadno mušico. Ocenjuje se, da so mišji možgani milijonkrat večji od možganov male sadne mušice, kar pomeni, da v bližnji prihodnosti ni verjetno, da bi lahko naredili zemljevid, ki bi bil blizu človeškim možganom, morda celo ne za časa naših življenj.
Ekipa je namenoma izbrala ličinko sadne mušice, saj si ta vrsta žuželk z ljudmi deli veliko temeljnih bioloških značilnosti, vključno s primerljivo genetsko osnovo. Poleg tega ima bogato učenje in odločanje, zaradi česar je uporaben modelni organizem za nevroznanost. Za praktične namene pa je mogoče njene razmeroma kompaktne možgane slikati in rekonstruirati njihova vezja v razumnem časovnem okviru.
Sodelovali sta univerzi Cambridge in Johns Hopkins
Kljub temu sta univerzi Cambridge in Johns Hopkins za to delo potrebovali 12 let. Samo slikanje je trajalo približno en dan na nevron.
Raziskovalci iz Cambridgea so ustvarili slike možganov visoke ločljivosti in jih ročno preučevali, da bi našli posamezne nevrone, jih natančno sledili in povezali njihove sinaptične povezave.
Cambridge je podatke predal univerzi Johns Hopkins, kjer je ekipa več kot tri leta uporabljala izvirno kodo, ki so jo ustvarili za analizo povezljivosti možganov. Ekipa Johnsa Hopkinsa je razvila tehnike za iskanje skupin nevronov na podlagi skupnih vzorcev povezljivosti, nato pa je analizirala, kako se lahko informacije širijo po možganih.
Na koncu je celotna ekipa popisala vsak nevron in vsako povezavo ter vsak nevron razvrstila glede na vlogo, ki jo ima v možganih. Ugotovili so, da so najbolj obremenjeni možganski tokokrogi tisti, ki so vodili do nevronov učnega centra in od njih.
Metode, ki jih je razvil Johns Hopkins, so uporabne za vsak projekt povezovanja možganov, njihova koda pa je na voljo vsem, ki bodo poskušali kartirati še večje živalske možgane, je dejal Vogelstein in dodal, da kljub izzivom pričakujejo, da se bodo znanstveniki lotili miši, morda že v naslednjem desetletju. Druge ekipe že delajo na zemljevidu možganov odrasle sadne mušice. Benjamin Pedigo, doktorski kandidat za biomedicinsko inženirstvo univerze Johns Hopkins, pričakuje, da bo koda ekipe pomagala razkriti pomembne primerjave med povezavami v možganih odraslih osebkov in ličink in boljše razumevanje razlik v ožičenju možganov, ko bodo ustvarjene povezave za več ličink in drugih sorodnih vrst.
Delo na ličinkah sadnih mušic je pokazalo značilnosti vezij
Delo na ličinkah sadnih mušic je pokazalo značilnosti vezij, ki so presenetljivo spominjale na pomembne in zmogljive arhitekture strojnega učenja. Ekipa pričakuje, da bodo nadaljnje študije razkrile še več računskih načel in morda navdihnile nove sisteme umetne inteligence.
»Kar smo se naučili o kodi za sadne mušice, bo imelo posledice za kodo za ljudi,« je dejal Vogelstein. »To želimo razumeti – kako napisati program, ki vodi do človeškega možganskega omrežja.«
Novinar
