Vědcům Lichtmanovy laboratoře na Harvardské univerzitě, kteří se spojili s odborníky na strojové učení ze společnosti Google, se povedlo zmapovat do neuvěřitelných detailů jeden milimetr krychlový zdravé mozkové tkáně, odebraný z mozkové kůry 45leté ženy, která byla operována kvůli epilepsii. Ve vzorku našli 57 tisíc jednotlivých buněk, 150 miliónů nervových spojení a 23 centimetrů krevních cév a odhalili také nové zvláštnosti a složitosti ve struktuře lidského mozku.
Od roku 2018 Lichtmanova laboratoř pečlivě mapovala každou buňku a synapsi v malém vzorku mozku lidského pacienta. Přestože vzorek představuje pouze miliontinu objemu lidského mozku, jeho podrobné zmapování více než pěti tisíc řezů vzorku a snímků z elektronového mikroskopu, vygenerovalo 1,4 milionu gigabajtů dat a odhalily 57 tisíc jednotlivých buněk, 150 milionů nervových spojení (synapsí) a 23 centimetrů krevních cév. Aby mohla Lichtmanova laboratoř spravovat tak velký soubor dat, spojila se s výzkumnou skupinou pro connectomiku společnosti Google. Výsledkem této spolupráce je dosud největší konektivomická mapa lidského vzorku spánkové mozkové kůry. O tomto úžasně podrobném výzkumu napsal i časopis Science. Data z projektu byla zpřístupněna online, aby si je mohli prohlédnout a analyzovat i další vědci a výzkumníci.
»Všechny tisíce mozkových buněk a desítky milionů synaptických spojení identifikovaných v naší studii by se na standardním snímku MRI zobrazily jako jediný pixel!« uvedl spoluautor první studie Alexander Shapson-Coe, ke snaze a motivaci nahlédnout do mikrostruktury lidského mozku. K plnému pochopení fungování lidského mozku je zapotřebí znát jeho strukturu ve vysokém rozlišení.
»Tato konkrétní studie vznikla díky řadě šťastných náhod. První z nich byla, že při odběru vyříznutého kousku tkáně z operace pacientky s epilepsií se podařilo získat vzorek, přezdívaný ‚H01‘, který byl dostatečně kvalitní, aby mohl být podroben intenzivní konektivomické analýze. Druhou bylo, že se Shapson-Coe připojil k Lichtmanově laboratoři a horlivě prosazoval zobrazování a studium vzorku. Třetí byl zájem skupiny Connectomics společnosti Google o nový soubor dat a možnost pomoci s jejich ukládáním a zpracováním,« uvedl vědec Daniel R. Berger z Lichtmanovy laboratoře, který je jedním z prvních autorů článku.
»Naše studie poskytuje spoustu základních měření a rozložení různých typů buněk a synapsí ve vzorku a stanovuje některá základní pravidla pro lidský mozek, s výhradou, že pochází od pacientky s epilepsií, takže budeme potřebovat další vzorky,« dodal Berger na dotaz, zda bude laboratoř v podobném výzkumu pokračovat. Na konektivistických studiích ještě větších vzorků lidské mozkové tkáně se již pracuje.
Spoluautoři na mapě vzorku mozku zaznamenali také několik zarážejících jevů. Mnoho párů neuronů ve vzorku mělo extrémně silná spojení, s desítkami synapsí spojujících dvě stejné buňky. Tak silná spojení nebyla v myších mozcích dosud zaznamenána. Identifikovali také dvojice trojúhelníkových buněk (takzvané pyramidové neurony, které mají velké větve zvané dendrity vystupující z jejich základen), které vykazovaly zvláštní symetrii – některé směřovali dopředu a jiné dozadu. Jiné snímky odhalily těsné spletence axonů, tenkých vláken, která přenášejí signály z jedné mozkové buňky do druhé, jako by se zasekly na kruhovém objezdu, než identifikovaly správný výjezd a pokračovaly v cestě. Vědci prozatím nevědí, jak některé z těchto struktur ovlivňují funkci mozku. Tato práce je pouze prvním pohledem.
Mapa také odhalila vzácné případy, kdy neurony navázaly extrémně silná spojení s jinými buňkami. V celém vzorku mozkové tkáně více než 96 procent axonů navázalo s cílovou buňkou pouze jedno spojení, přičemž 3 procenta navázala spojení dvě. Hrstka axonů však navázala s blízkou buňkou desítky spojení a v jednom případě více než 50 spojení.
Jeff W. Lichtman zapekuloval, že takto silná spojení mohou pomoci vysvětlit, jak dobře naučené chování, například jako je sundání nohy z plynu a sešlápnutí brzdy na červenou, po dostatečném tréninku nevyžaduje téměř žádné přemýšlení. »Myslím, že tato silná spojení mohou být součástí systému naučených informací a toho, jak vypadá učení v mozku,« řekl.
»Zobrazení kousku lidské mozkové tkáně o velikosti v řádu milimetrů a rozlišení v řádu nanometrů je bezprecedentní a my jsme se teprve letmo dotkli povrchu, pokud jde o biologické analýzy souboru dat,« popsal Shapson-Coe. »Vyvinuli jsme nástroje, které umožňují zkoumání a analýzu tohoto souboru dat každému zájemci nebo skupině, a tak očekávám, že nejvýznamnější objevy z tohoto souboru dat teprve přijdou!« uzavřel Shapson-Coe.
Marcela Špičková
FOTO – Google Research & Lichtmanova laboratoř na Harvardké univerzitě/Daniel R. Berger, commons.wikimedia.org/CC BY-SA 3.0/GNU FDL/Quasar Jarosz at English Wikipedia, mcb.harvard.edu