Πριν από δέκα χρόνια, ο Δρ Jeff Lichtman - καθηγητής μοριακής και κυτταρικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ - έλαβε ένα μικρό δείγμα εγκεφάλου στο εργαστήριό του.
Αν και μικροσκοπικό, το 1 κυβικό χιλιοστό του ιστού ήταν αρκετά μεγάλο ώστε να περιέχει 57.000 κύτταρα, 230 χιλιοστά αιμοφόρων αγγείων και 150 εκατομμύρια συνάψεις.
«Ήταν λιγότερο από έναν κόκκο ρυζιού, αλλά αρχίσαμε να το κόβουμε και να το κοιτάμε και ήταν πραγματικά όμορφο», είπε.
«Όμως, καθώς συγκεντρώναμε τα δεδομένα, συνειδητοποίησα ότι απλώς είχαμε κάτι μπροστά μας, πολύ περισσότερο από ό,τι μπορούσαμε να χειριστούμε».
Τελικά, ο Lichtman και η ομάδα του κατέληξαν με 1.400 terabytes δεδομένων από το δείγμα - περίπου το περιεχόμενο για πάνω από 1 δισεκατομμύριο βιβλία.
Τώρα, μετά τη δεκαετία στενής συνεργασίας της ομάδας του εργαστηρίου με επιστήμονες της Google, αυτά τα δεδομένα έχουν μετατραπεί στον πιο λεπτομερή χάρτη δείγματος ανθρώπινου εγκεφάλου που δημιουργήθηκε ποτέ.
300 εκατομμύρια εικόνες
Το δείγμα εγκεφάλου προήλθε από ασθενή με σοβαρή επιληψία. Είναι τυπική διαδικασία, είπε ο Lichtman, να αφαιρείται ένα μικρό τμήμα του εγκεφάλου για να σταματήσουμε τις κρίσεις και στη συνέχεια να κοιτάξουμε τον ιστό για να βεβαιωθούμε ότι είναι φυσιολογικός.
«Αλλά [το δείγμα] ήταν ανώνυμο, οπότε δεν ήξερα σχεδόν τίποτα για τον ασθενή, εκτός από την ηλικία και το φύλο του», είπε.
Για να αναλύσουν το δείγμα, ο Lichtman και η ομάδα του το έκοψαν πρώτα σε λεπτές τομές χρησιμοποιώντας ένα μαχαίρι με μια ακμή λεπίδας από διαμάντι.
Τα τμήματα στη συνέχεια ενσωματώθηκαν σε μια σκληρή ρητίνη και κόπηκαν ξανά σε πολύ λεπτές φέτες.
«Περίπου 30 νανόμετρα, ή περίπου το 1.000ό του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας. Ήταν ουσιαστικά αόρατα, αν δεν τα είχαμε χρωματίσει με βαρέα μέταλλα, τα οποία τα έκαναν ορατά όταν κάναμε απεικόνιση ηλεκτρονίων», είπε.
Η ομάδα κατέληξε με αρκετές χιλιάδες φέτες, οι οποίες μαζεύτηκαν με μια ειδική ταινία, δημιουργώντας ένα είδος ταινίας φιλμ: «Αν τραβήξετε μια φωτογραφία καθενός από αυτά τα τμήματα και ευθυγραμμίσετε αυτές τις εικόνες, θα έχετε ένα τρισδιάστατο κομμάτι του εγκεφάλου σε μικροσκοπικό επίπεδο».
Τότε οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι χρειάζονταν βοήθεια για τα δεδομένα, επειδή οι προκύπτουσες εικόνες θα καταλάμβαναν σημαντικό χώρο αποθήκευσης.
Ο Lichtman γνώριζε ότι η Google εργαζόταν πάνω σε έναν ψηφιακό χάρτη του εγκεφάλου μιας μύγας, που κυκλοφόρησε το 2019, και διέθετε τον κατάλληλο υπολογιστή για τη δουλειά. Ήρθε σε επαφή με τον Viren Jain, έναν ανώτερο ερευνητικό επιστήμονα της Google, ο οποίος εργαζόταν στο έργο της μύγας.
«Υπήρχαν 300 εκατομμύρια ξεχωριστές εικόνες (στα δεδομένα του Χάρβαρντ)», είπε ο Jain. «Αυτό που κάνει τόσα πολλά τα δεδομένα είναι ότι απεικονίζονται σε πολύ υψηλή ανάλυση, το επίπεδο μιας μεμονωμένης σύναψης. Και μόνο σε αυτό το μικρό δείγμα εγκεφαλικού ιστού υπήρχαν 150 εκατομμύρια συνάψεις».
Για να κατανοήσουν τις εικόνες, οι επιστήμονες της Google χρησιμοποίησαν επεξεργασία και ανάλυση βασισμένη σε τεχνητή νοημοσύνη, προσδιορίζοντας ποιος τύπος κυττάρων ήταν σε κάθε εικόνα και πώς συνδέονται.
Το αποτέλεσμα είναι ένα διαδραστικό τρισδιάστατο μοντέλο του εγκεφαλικού ιστού και το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων που δημιουργήθηκε ποτέ σε αυτήν την ανάλυση μιας ανθρώπινης δομής εγκεφάλου.
Η Google το έκανε διαθέσιμο στο διαδίκτυο ως «Neuroglancer» και η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science την ίδια στιγμή, με τους Lichtman και Jain μεταξύ των συγγραφέων.
Κατανόηση του εγκεφάλου
Η συνεργασία μεταξύ των ομάδων του Χάρβαρντ και της Google οδήγησε σε έγχρωμες εικόνες που κάνουν τα επιμέρους στοιχεία πιο ορατά, αλλά κατά τα άλλα είναι μια αληθινή αναπαράσταση του ιστού.
«Τα χρώματα είναι εντελώς αυθαίρετα», εξήγησε ο Jain, «αλλά πέρα από αυτό, δεν υπάρχει μεγάλη καλλιτεχνική “άδεια” εδώ. Το όλο θέμα είναι ότι δεν το κατασκευάζουμε - αυτοί είναι οι πραγματικοί νευρώνες, τα πραγματικά καλώδια που υπάρχουν σε αυτόν τον εγκέφαλο, και πραγματικά τον κάνουμε εύκολο και προσβάσιμο στους βιολόγους να το δουν και να το μελετήσουν».
Τα στοιχεία περιείχαν κάποιες εκπλήξεις.
Για παράδειγμα, αντί να σχηματίζουν μια ενιαία σύνδεση, τα ζεύγη νευρώνων έχουν περισσότερες από 50. Αυτό μοιάζει με δύο σπίτια στο ίδιο τετράγωνο να έχουν 50 ξεχωριστές τηλεφωνικές γραμμές που να τα συνδέουν.
Τι συμβαίνει εδώ; Γιατί συνδέονται τόσο έντονα; Δεν γνωρίζουμε ακόμη ποια είναι η λειτουργία ή η σημασία αυτού του φαινομένου, θα πρέπει να το μελετήσουμε περαιτέρω», είπε.
«Τι σημαίνει να κατανοούμε τον εγκέφαλό μας; Το καλύτερο που μπορούμε να κάνουμε είναι να το περιγράψουμε και ελπίζουμε ότι από αυτές τις περιγραφές θα γίνει αντιληπτό, για παράδειγμα, πώς διαφέρουν οι φυσιολογικοί εγκέφαλοι από τους διαταραγμένους εγκεφάλους, σε ψυχιατρικές παθήσεις ενηλίκων ή αναπτυξιακές διαταραχές όπως το φάσμα του αυτισμού - αυτού του είδους η σύγκριση θα είναι πολύ πολύτιμη», είπε.
«Τελικά, θα μας δώσει κάποια εικόνα για το τι δεν πάει καλά, για το οποίο, στις περισσότερες περιπτώσεις, είμαστε ακόμα στο σκοτάδι».
Ο Lichtman πιστεύει επίσης ότι το σύνολο των δεδομένων μπορεί να κρύβει και πολλές άλλες εκπληκτικές λεπτομέρειες που, λόγω του μεγέθους τους, δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη: “Και γι’ αυτό το μοιραζόμαστε στο διαδίκτυο, ώστε ο καθένας να μπορεί να το κοιτάξει και να βρει πράγματα”, προστέθηκε.
Στη συνέχεια, η ομάδα στοχεύει να δημιουργήσει έναν πλήρη χάρτη του εγκεφάλου ενός ποντικιού, ο οποίος θα απαιτούσε μεταξύ 500 και 1.000 φορές τον όγκο δεδομένων του δείγματος ανθρώπινου εγκεφάλου.
«Αυτό θα σήμαινε 1 exabyte, που είναι 1.000 petabyte», είπε ο Lichtman. «Πολλοί άνθρωποι επιφυλάσσονται για το πώς θα το κάνουμε ενώ είμαστε στον πρώτο χρόνο μιας πενταετούς απόδειξης επί της αρχής.
Νομίζω ότι θα ήταν μια στιγμή ορόσημο για τη νευροεπιστήμη, να έχουμε ένα πλήρες διάγραμμα συνδεσμολογίας του εγκεφάλου θηλαστικού. θα απαντούσε σε πολλά, πολλά ερωτήματα. Και φυσικά, θα αποκάλυπτε πολλά περισσότερα προβλήματα, πράγματα που δεν περιμέναμε».
Τι γίνεται με τη χαρτογράφηση ενός ολόκληρου ανθρώπινου εγκεφάλου;
Αυτό θα ήταν άλλες 1.000 φορές μεγαλύτερο έργο, εξήγησε ο Lichtman, πράγμα που σημαίνει ότι τα δεδομένα θα ανέρχονται σε 1 zettabyte.
Το 2016, αυτό ήταν το μέγεθος ολόκληρης της διαδικτυακής κίνησης για όλο το έτος, σύμφωνα με τη Cisco.
Προς το παρόν, είπε ο Lichtman, όχι μόνο θα ήταν δύσκολο να αποθηκευτούν τόσα πολλά δεδομένα, αλλά δεν θα υπήρχε ηθικά αποδεκτός τρόπος για την προμήθεια ενός παρθένου, καλά διατηρημένου ανθρώπινου εγκεφάλου.
Ανοίγοντας νέους δρόμους
Ερευνητές στον ίδιο τομέα που δεν ασχολήθηκαν με την συγκεκριμένη εργασία εξέφρασαν τον ενθουσιασμό τους όταν τους προσέγγισε το CNN για σχόλια.
«Αυτή η μελέτη είναι υπέροχη και υπάρχουν τόσα πολλά να μάθουμε από δεδομένα όπως αυτό», δήλωσε ο Michael Bienkowski, επίκουρος καθηγητής Φυσιολογίας και Νευροεπιστήμης στο Keck School of Medicine του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια.
«Πολλά από αυτά που πιστεύουμε ότι καταλαβαίνουμε για τον ανθρώπινο εγκέφαλο προέρχονται από ζώα, αλλά η έρευνα όπως αυτή είναι κρίσιμη για να αποκαλύψει τι πραγματικά μας κάνει ανθρώπους. Η οπτικοποίηση των νευρώνων και άλλων εγκεφαλικών κυττάρων είναι πραγματικά δύσκολη λόγω της απόλυτης πυκνότητας και πολυπλοκότητάς τους, και το τρέχον σύνολο δεδομένων δεν καταγράφει τις συνδέσεις μεγαλύτερης εμβέλειας», είπε ο Bienkowski.
«Από ποιες άλλες περιοχές του εγκεφάλου προέρχονται αυτές οι εισροές και πού πηγαίνουν οι έξοδοι μόλις φύγουν από την περιοχή; Αλλά το να βλέπεις όλους αυτούς τους διαφορετικούς τύπους κυττάρων και τις αλληλεπιδράσεις τους είναι απίστευτο και σε κάνει να εκτιμάς αυτό που μας έδωσε ένα αριστούργημα αρχιτεκτονικής η ζωή», πρόσθεσε.
Ο Andreas Tolias , καθηγητής οφθαλμολογίας στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ στην Καλιφόρνια, συμφώνησε. «Πρόκειται για μια αξιοσημείωτη τεχνική μελέτη που αναδομεί τη δομή του ανθρώπινου φλοιού σε υψηλή ανάλυση», είπε. «Ήμουν ιδιαίτερα ενθουσιασμένος με την ανακάλυψη σπάνιων αξόνων ικανών να σχηματίσουν έως και 50 συνάψεις. Αυτό το εύρημα είναι ενδιαφέρον και εγείρει σημαντικά ερωτήματα σχετικά με τους υπολογιστικούς τους ρόλους».
«Κάθε ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ένα τεράστιο δίκτυο δισεκατομμυρίων νευρικών κυττάρων», δήλωσε ο Sporns, διακεκριμένος καθηγητής ψυχολογικών και εγκεφαλικών επιστημών στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα. «Αυτό το δίκτυο επιτρέπει στα κύτταρα να επικοινωνούν, με πολύ συγκεκριμένα μοτίβα που είναι θεμελιώδη για τη μνήμη, τη σκέψη και τη συμπεριφορά.
Η χαρτογράφηση αυτού του δικτύου, του ανθρώπινου συνδέσμου, είναι κρίσιμη για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος», πρόσθεσε, σημειώνοντας ότι η μελέτη ανοίγει νέους δρόμους προς αυτόν τον σημαντικό στόχο και προσφέρει συναρπαστικές νέες ευκαιρίες για εξερεύνηση και ανακάλυψη.