WASHINGTON – Dankzij een muis die clips bekijkt van ‘The Matrix’, hebben wetenschappers de grootste functionele kaart van een hersenen tot nu toe gemaakt – een diagram van de bedrading die 84.000 neuronen verbindt terwijl ze berichten afvuren.
Met behulp van een stuk van de hersenen van die muis over de grootte van een papaverzaad, identificeerden de onderzoekers die neuronen en hebben ze getraceerd hoe ze via takachtige vezels communiceerden via een verrassende 500 miljoen junctions genaamd synapsen.
Aanbevolen video’s
De enorme dataset, woensdag gepubliceerd door het tijdschrift Nature, markeert een stap in de richting van het ontrafelen van het mysterie van hoe onze hersenen werken. De gegevens, geassembleerd in een 3D -reconstructie gekleurd om verschillende hersencircuits af te bakenen, staan open voor wetenschappers wereldwijd voor extra onderzoek – en voor de simpelweg nieuwsgierig om een kijkje te nemen.
“Het inspireert absoluut een gevoel van ontzag, net als het kijken naar foto’s van de sterrenstelsels,” zei Forrest Collman van het Allen Institute for Brain Science in Seattle, een van de toonaangevende onderzoekers van het project. “Je krijgt een idee hoe ingewikkeld je bent. We kijken naar een klein deel … van de hersenen van een muis en de schoonheid en complexiteit die je kunt zien in deze werkelijke neuronen en de honderden miljoenen verbindingen daartussen.”
Hoe we denken, voelen, zien, praten en bewegen zijn te wijten aan neuronen of zenuwcellen, in de hersenen – hoe ze worden geactiveerd en berichten naar elkaar verzenden. Wetenschappers weten al lang van die signalen van één neuron langs vezels genaamd axonen en dendrieten, met behulp van synapsen om naar het volgende neuron te springen. Maar er is minder bekend over de netwerken van neuronen die bepaalde taken uitvoeren en hoe verstoringen van die bedrading een rol kunnen spelen bij Alzheimer, autisme of andere aandoeningen.
“Je kunt duizend hypothesen maken over hoe hersencellen hun werk kunnen doen, maar je kunt die hypothesen niet testen, tenzij je misschien het meest fundamentele ding weet – hoe zijn die cellen aan elkaar bedraad,” zei Allen Institute Scientist Clay Reid, die hielp bij het pionieren van elektronenmicroscopie om neurale verbindingen te bestuderen.
Met het nieuwe project heeft een wereldwijd team van meer dan 150 onderzoekers neurale verbindingen in kaart gebracht die Collman vergelijkt met verwarde stukken spaghetti die een deel van de muishersenen die verantwoordelijk zijn voor het gezichtsvermogen, kronkelen.
De eerste stap: toon een muisvideo-fragmenten van sci-fi-films, sport, animatie en natuur.
Een team van Baylor College of Medicine deed precies dat, met behulp van een muis die is ontworpen met een gen dat zijn neuronen laat gloeien als ze actief zijn. De onderzoekers gebruikten een laser-aangedreven microscoop om vast te leggen hoe individuele cellen in de visuele cortex van het dier oplichtten toen ze de beelden verwerkten die flitsen door.
Vervolgens analyseerden wetenschappers van het Allen Institute dat kleine stuk hersenweefsel, met behulp van een speciaal hulpmiddel om het in meer dan 25.000 lagen te scheren, elk ver dunner dan een menselijk haar. Met elektronenmicroscopen namen ze bijna 100 miljoen beelden met hoge resolutie van die secties, die die spaghetti-achtige vezels verlichten en de gegevens nauw weer in de 3D samenstellen.
Ten slotte gebruikten Princeton University -wetenschappers kunstmatige intelligentie om al die bedrading te traceren en “elk van de afzonderlijke draden een andere kleur te schilderen, zodat we ze individueel kunnen identificeren”, legde Collman uit.
Ze schatten dat microscopische bedrading, indien aangelegd, meer dan 3 mijl (5 kilometer) zou meten. Belangrijk is dat het matchen van al die anatomie met de activiteit in de hersenen van de muis terwijl het naar films keek, onderzoekers in staat stelde te traceren hoe het circuit werkte.
De Princeton -onderzoekers hebben ook digitale 3D -kopieën gemaakt van de gegevens die andere wetenschappers kunnen gebruiken bij het ontwikkelen van nieuwe studies.
Zou dit soort mapping wetenschappers kunnen helpen om uiteindelijk behandelingen te vinden voor hersenziekten? De onderzoekers noemen het een fundamentele stap, zoals hoe het Human Genome-project dat de eerste genmapping voorzag uiteindelijk leidde tot op gen gebaseerde behandelingen. Het in kaart brengen van een volledig brein van muis is een volgende doel.
“De technologieën die door dit project zijn ontwikkeld, geven ons onze eerste kans om echt een soort abnormaal patroon van connectiviteit te identificeren dat aanleiding geeft tot een aandoening,” zei een andere van de toonaangevende onderzoekers van het project, neurowetenschapper en computerwetenschapper Sebastian Seung, in een verklaring.
Het werk “markeert een grote sprong vooruit en biedt een onschatbare gemeenschapsbron voor toekomstige ontdekkingen”, schreef Harvard -neurowetenschappers Mariela Petkova en Gregor Schuhknecht, die niet bij het project betrokken waren.
De enorme en publiek gedeelde gegevens “zullen helpen om de complexe neurale netwerken die ten grondslag liggen aan cognitie en gedrag te ontrafelen”, voegden ze eraan toe.
De machine -intelligentie van corticale netwerken of micron, consortium werd gefinancierd door het Brain Initiative en IARPA van de National Institutes of Health, de activiteiten van de Intelligence Advanced Research Projects.
—