Nemokamai internete prieinamas smegenų vaizdalapis, kuriame yra 50 000 ląstelių, atvaizduotų trimis matmenimis. Ląsteles jungia šimtai milijonų voratinkliškų gijų, formuojančių 130 milijonų jungčių – sinapsių. Duomenys užima 1,4 PB, o tai maždaug 700 kartų daugiau, nei telpa vidutiniame moderniame kompiuteryje.

Duomenų tiek daug, kad tyrėjai jų detaliai dar neišstudijavo, sako Viren Jain iš Google Research, įsikūrusios Mountain View, Kalidfornijoje. Jis lygina tai su žmogaus genomu, kuris tebetiriamas, nors nuo pirmų jo apmatų publikavimo praėjo 20 metų.

Pirmą kartą išvydome tikrą tokios didelės smegenų dalies struktūrą, pažymi darbe nedalyvavusi Catherine Dulac iš Harvardo universiteto. „Tai netgi šiek tiek emocinga.“

Smegenų vaizdalapis / Lichtman Laboratory nuotr.

Šis gigantiškas darbas pradėtas, kai komanda, vadovaujama Jeffo Lichtmano, irgi iš Harvardo universiteto, paėmė mažutį 45 metų moters, sergančios vaistams atsparia epilepsija, smegenų gabalėlį. Jai buvo atliekama operacija, kuria buvo pašalintas traukulius kėlęs kairysis hipokampas. Kad tai atliktų, chirurgams teko pašalinti ir šiek tiek hipokampą dengiančio sveiko smegenų audinio.

Lichtmanas su komanda kaip mat panardino mėginį į konservantą, tuomet nudažė jį sunkiaisiais metalais, pavyzdžiui, osmiu, kad kiekvienos ląstelės išorinės membranos būtų matomos elektroniniu mikroskopu. Tuomet apdorojo derva, kad jis būtų atsparesnis. Galiausiai, suraikė maždaug 30 nanometrų storio riekelėmis – maždaug viena tūkstantoji žmogaus plauko storio dalis – ir nufotografavo kiekvieną elektroniniu mikroskopu.

Tuomet darbo ėmėsi Jaino komanda iš Google, iš dvimačių riekelių suformavę trimatį vaizdą. Pasitelkę mašininį mokymąsi, jie rekonstravo neuronus jungiančias gijas ir žymėjo skirtingus ląstelių tipus.

Visa tai tėra menkutė smegenų dalis. Kaip sako Jainas, geriausiai jos mastelį suprasti, galvojant apie funkcinio magnetinio rezonanso (fMRI) skeną, parodantį skirtingų smegenų regionų aktyvumą. „Visi mūsų sukurti duomenys apima kubinį milimetrą, kas įprastai yra vienas fMRI skeno vaizdo taškas,“ sako jis. „Įdomu atskleisti viską, kas yra po vienu MRI pikseliu.“

Smegenų vaizdalapis. Lichtman Laboratory nuotr.

Dulac duomenis vadina „lobių saugykla daugeliui metų“. Komanda jau padarė kelis smegenų sujungimo atradimus: pavyzdžiui, paaiškėjo, kad jungčių tarp neuronų skaičius yra labai netolygus.

Įprastai, vieno neurono gijos praeidamos šalia kito, suformuoja vos vieną sinapsę, rečiau – 2 ar 4. Bet kai kurios gijos suformavo iki 20 sinapsių su vienu neuronu, o tai reiškia, kad ir pati gija tikriausiai galėtų paskatinti sužadinti neurono veikimą.

Neaišku, kodėl taip yra, bet Lichtmanas spėja, kad tokiomis multisinapsinėmis jungtimis pagrįstas išmoktas elgesys. „Daug dalykų smegenys atlieka sąmoningai, galvodamos ir spręsdamos problemas, bei priimdamos sprendimus, o yra dalykų, kuriuos atliekame automatiškai, nors tai negalėtų būti nulemta genetiniu lygmeniu,“ sako jis, tarkime, stabdymas, išvydus raudoną šviesoforo signalą. Tokios superstiprios jungtys užtikrintų labai spartų žinutės keliavimą šiuo tinklu.

Dar tyrėjai giliai smegenų žievėje aptiko paslaptingas, niekada anksčiau neužfiksuotas, neuronų poras. „Šios dvi ląstelės yra išsidėsčiusios ant tos pačios ašies diametraliai priešingomis kryptimis,“ sako Lichtmanas. Niekas nežino, kodėl.

Smegenų vaizdalapis. Lichtman Laboratory nuotr.

Smegenų ryšių žymėjimas, arba konektomika, toli pasistūmėjo nuo pirmojo proveržio devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, kuomet tyrėjai sužymėjo kirmino Caenorhabditis elegans nervų sistemos 302 neuronus. Jainas, Dulac ir Lichtmanas dalyvavo grupėje, kuri 2020 metais palaikė visų pelės smegenų jungčių išsiaiškinimą panašiu detalumu.

„Visos pelės smegenys yra vos 1000 kartų didesnės, eksabaitas vietoje petabaito,“ sako Lichtmanas. „Tai tokio masto darbas, kokį tikėtina, galėsime atlikti per dešimtmetį.“ Dulac nori pažiūrėti, kaip žievė jungiasi su kitomis smegenų dalimis, ir pelės smegenų vaizdalapis tai atskleistų.

Visų žmogaus smegenų vaizdalapiui reikėtų dar 1000 kartų daugiau atminties, zetabaito, o tai, kaip sako Lichtmanas, „palygintina su skaitmeniniu turiniu, kuris sukuriamas per metus Žemės planetoje“.

Bet to atlikti gali nebūti verta. „Gali paaiškėti, kad daug kas iš to yra užkoduota informacija, gauta su patirtimi, tad kiekvienos smegenys skirsis nuo visų kitų,“ sako jis. „Nesupratus, kaip informacija saugoma, vis šie duomenys būtų beprasmiai.“

Greitesnė nauda būtų ištyrus, kaip skiriasi ląstelių išsidėstymas įvairių psichinės sveikatos būklių žmonėse, pažymi Dulac. „Panašūs tyrimai galėtų būti atliekami ir sergantiems psichinėmis ligomis,“ ir labiau nušviesti tokių būklių, kaip šizofrenija, pasireiškimą, sako ji.

Šaltinis: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1