Prije deset godina, dr. Jeff Lichtman — profesor molekularne i stanične biologije na Univerzitetu Harvard — primio je mali uzorak mozga u svom laboratoriju.
Iako malen, 1 kubni milimetar tkiva bio je dovoljno velik da sadrži 57 000 ćelija, 230 milimetara krvnih žila i 150 miliona sinapsi.
“Bilo je manje od zrna riže, ali smo ga počeli rezati i gledati, i bilo je stvarno prekrasno”, rekao je. "Ali dok smo prikupljali podatke, shvatio sam da jednostavno imamo puno više nego što možemo podnijeti."
Na kraju su Lichtman i njegov tim došli do 1400 terabajta podataka iz uzorka — što je otprilike sadržaj preko 1 milijarde knjiga. Sada, nakon desetljeća bliske saradnje laboratorijskog tima sa naučnicima iz Googlea, ti su se podaci pretvorili u najdetaljniju kartu uzorka ljudskog mozga ikada stvorenu.
Uzorak mozga došao je od pacijenta s teškom epilepsijom. Standardna je procedura, rekao je Lichtman, da se ukloni mali dio mozga kako bi se zaustavili napadi, a zatim se pregleda tkivo kako bi se uvjerilo da je normalno. "Ali bio je anoniman, tako da nisam znao gotovo ništa o pacijentu, osim njihove dobi i spola", rekao je.
Kako bi analizirali uzorak, Lichtman i njegov tim prvo su ga izrezali na tanke dijelove pomoću noža s oštricom od dijamanta. Dijelovi su zatim ugrađeni u tvrdu smolu i ponovno narezani, vrlo tanko. “Oko 30 nanometara, ili otprilike 1000-ti dio debljine ljudske kose. Bili su praktički nevidljivi, da nije bilo činjenice da smo ih obojali teškim metalima, što ih je učinilo vidljivima kada smo radili elektronsko snimanje,” rekao je.
Tim je završio s nekoliko hiljada kriški, koje je pokupila posebno napravljena traka, stvarajući neku vrstu filmske trake: “Ako uslikate svaki od tih odjeljaka i poravnate te slike, dobit ćete trodimenzionalni komad mozga na mikroskopskoj razini.”
Tada su istraživači shvatili da im je potrebna pomoć s podacima, jer bi rezultirajuće slike zauzele značajnu količinu prostora za pohranu.
Lichtman je znao da Google radi na digitalnoj karti mozga vinske mušice, objavljenoj 2019., i da je imao pravi računalni hardver za taj posao. Stupio je u kontakt s Viren Jain, višom naučnicom u Googleu koja je radila na projektu voćne mušice.
"Bilo je 300 miliona odvojenih slika (u podacima Harvarda)", rekao je Jain. “Ono što čini toliku količinu podataka je to što snimate u vrlo visokoj razlučivosti, na razini pojedinačne sinapse. I samo u tom malom uzorku moždanog tkiva bilo je 150 miliona sinapsi.”
Kako bi shvatili slike, naučnici iz Googlea upotrijebili su obradu i analizu temeljenu na umjetnoj inteligenciji, identificirajući koja je vrsta stanica na svakoj slici i kako su povezane. Rezultat je interaktivni 3D model moždanog tkiva i najveći skup podataka ikada napravljen u ovoj rezoluciji strukture ljudskog mozga. Google ju je učinio dostupnom na internetu kao “Neuroglancer”, a studija je u isto vrijeme objavljena u časopisu Science, s Lichtmanom i Jainom među koautorima.
Razumijevanje mozga
Saradnja timova s Harvarda i Googlea rezultirala je koloriziranim slikama koje čine pojedinačne komponente vidljivijima, ali one inače predstavljaju istinit prikaz tkiva.
“Boje su potpuno proizvoljne,” objasnio je Jain, “ali osim toga, ovdje nema puno umjetničke dozvole. Cijela poanta ovoga je da mi to ne izmišljamo - ovo su pravi neuroni, prave žice koje postoje u ovom mozgu, a mi ga zapravo samo činimo prikladnim i dostupnim biolozima za gledanje i proučavanje."
Podaci su sadržavali neka iznenađenja. Na primjer, umjesto da formiraju jednu vezu, parovi neurona umjesto toga imaju više od 50. “Ovo je kao da dvije kuće u bloku imaju 50 odvojenih telefonskih linija koje ih povezuju. Šta se tamo događa? Zašto su tako snažno povezani? Još ne znamo koja je funkcija ili značaj ovog fenomena, morat ćemo ga dodatno proučiti”, rekao je.
Naposljetku, promatranje mozga na ovoj razini detalja moglo bi pomoći istraživačima da shvate neriješena medicinska stanja, smatra Lichtman.
“Šta znači razumjeti naš mozak? Najbolje što možemo učiniti je opisati ga i nadati se da će iz tih opisa proizaći spoznaja, na primjer, o tome koliko se normalni mozgovi razlikuju od mozgova koji su poremećeni, kod odraslih psihijatrijskih bolesti ili razvojnih poremećaja poput autističnog spektra — takva će vrsta usporedbe biti vrlo vrijedna”, rekao je.
"Naposljetku, to će nam dati neki uvid u ono što nije u redu, o čemu, u većini slučajeva, još uvijek nemamo pojma."
Lichtman također vjeruje da skup podataka može biti ispunjen drugim nevjerovatnim detaljima koji, zbog svoje veličine, još nisu otkriveni: "I zato ga dijelimo online, tako da ga svako može pogledati i pronaći stvari", rekao je.
Zatim, tim koji stoji iza projekta ima za cilj stvoriti potpunu mapu mozga miša, što bi zahtijevalo između 500 i 1000 puta veću količinu podataka od uzorka ljudskog mozga.
"To bi značilo 1 egzabajt, što je 1000 petabajta", rekao je Lichtman. „Mnogi ljudi ozbiljno razmišljaju o tome kako ćemo to učiniti, a mi smo u prvoj godini petogodišnjeg dokaza principa. Mislim da bi to bio prijelomni trenutak za neuroznanost, imati kompletan dijagram povezivanja mozga sisavaca; odgovorilo bi na mnoga, mnoga pitanja. I naravno, to bi otkrilo mnogo više problema, stvari koje nismo očekivali.”
Šta je s mapiranjem cijelog ljudskog mozga? To bi bilo još 1000 puta veće, objasnio je Lichtman, što znači da bi podaci iznosili 1 zettabyte. U 2016. to je bila veličina cjelokupnog internetskog prometa za godinu, prema Ciscu . U ovom trenutku, rekao je Lichtman, ne samo da bi bilo teško čak i pohraniti toliku količinu podataka, nego ne bi postojao etički prihvatljiv način pronalaženja netaknutog, dobro očuvanog ljudskog mozga.
Kršenje novih temelja
Istraživači u istom području koji nisu bili uključeni u rad izrazili su svoj entuzijazam kada im se CNN obratio za komentar.
"Ova studija je prekrasna i ima toliko toga za naučiti iz ovakvih podataka", rekao je Michael Bienkowski, asistent profesora fiziologije i neuroznanosti na Medicinskom fakultetu Keck Sveučilišta Južne Kalifornije.
“Veliki dio onoga što mislimo da razumijemo o ljudskom mozgu ekstrapolirano je od životinja, ali istraživanje poput ovog ključno je za otkrivanje onoga što nas doista čini ljudima. Vizualizacija neurona i drugih moždanih stanica doista je izazovna zbog njihove čiste gustoće i složenosti, a trenutni skup podataka ne obuhvaća veze dužeg dometa”, rekao je Bienkowski.
“Iz kojih drugih regija mozga potječu ovi ulazi i kamo odlaze rezultati nakon što napuste to područje? Ali vidjeti sve te različite tipove stanica i njihove interakcije je nevjerovatno i tjera vas da cijenite što nam je remek-djelo arhitekture dao život,” dodao je.
Andreas Tolias, profesor oftalmologije na Univerzitet Stanford u Kaliforniji, slaže se s tim. "Ovo je izvanredna tehnička studija koja rekonstruira strukturu ljudskog korteksa u visokoj rezoluciji", rekao je. “Bio sam posebno uzbuđen zbog otkrića rijetkih aksona koji mogu formirati do 50 sinapsi. Ovo otkriće je intrigantno i postavlja važna pitanja o njihovoj računskoj ulozi.”
Projekt mapiranja mozga otvara vrata budućim istraživanjima, smatra neuronaučnik Olaf Sporns.
"Svaki ljudski mozak golema je mreža milijardi živčanih stanica", rekao je Sporns, istaknuti profesor psihologije i nauka o mozgu na Univerzitet Indiana. “Ova mreža omogućuje stanicama da komuniciraju, u vrlo specifičnim obrascima koji su temeljni za pamćenje, mišljenje i ponašanje. Mapiranje ove mreže, ljudskog konektoma, ključno je za otkrivanje načina na koji mozak funkcionira,” dodao je, napominjući da studija otvara novi put prema ovom važnom cilju i nudi uzbudljive nove prilike za istraživanje i otkriće.
