Ερευνητές του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ συνεργάστηκαν με ειδικούς στη μηχανική μάθηση (κλάδος της τεχνητής νοημοσύνης) στη Google για να χαρτογραφήσουν το νευρικό κύκλωμα, τις συνδέσεις, τα υποστηρικτικά κύτταρα και την παροχή αίματος σε ένα μικροσκοπικό κομμάτι υγιούς ιστού που αφαιρέθηκε από τον φλοιό μιας 45χρονης γυναίκας που είχε χειρουργηθεί για επιληψία.
Η ερευνητική ομάδα κατάφερε να ανακατασκευάσει ένα διάγραμμα καλωδίωσης για ένα κομμάτι ανθρώπινου εγκεφάλου με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια, αποκαλύπτοντας νέες πολύπλοκες διεργασίες στο πιο εξελιγμένο βιολογικό όργανο που έχει κάνει την εμφάνιση του στη Γη και όπως λένε κάποιοι με βάση όσα γνωρίζουμε μέχρι στιγμής του πιο εξελιγμένου αντικειμένου στο Σύμπαν.
Το δείγμα του εγκεφάλου ανερχόταν σε ένα μόνο κυβικό χιλιοστό ιστού αλλά η επεξεργασία της καλωδίωσης παρέμεινε ένα τεράστιο έργο για την ομάδα. Εικόνες με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποκάλυψαν 57.000 μεμονωμένα κύτταρα, 150 εκατομμύρια νευρικές συνδέσεις και 23 εκατοστά αιμοφόρων αγγείων.
«Ο στόχος ήταν να αποκτήσουμε μια άποψη υψηλής ανάλυσης αυτού του πιο μυστηριώδους κομματιού της βιολογίας που κουβαλάει ο καθένας μας στους ώμους του. Ο λόγος που δεν το έχουμε ξανακάνει είναι ότι ήταν πραγματικά πολύ δύσκολο να γίνει κάτι τέτοιο, μια πραγματική πρόκληση» αναφέρει ο Τζεφ Λίχτμαν καθηγητής μοριακής και κυτταρικής βιολογίας στο Χάρβαρντ, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας που δημοσιεύει τα ευρήματα της στην επιθεώρηση «Science».
Έχοντας τεμαχίσει τον ιστό σε «φέτες» λιγότερο από χίλιες φορές πιο λεπτές από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας οι ερευνητές πήραν εικόνες με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να καταγράψουν λεπτομέρειες της δομής του εγκεφάλου μέχρι τη νανοκλίμακα ή τα χιλιοστά του χιλιοστού. Στη συνέχεια ένας αλγόριθμος μηχανικής μάθησης εντόπισε τα μονοπάτια των νευρώνων και άλλων κυττάρων μέσω των επιμέρους τμημάτων, μια επίπονη διαδικασία που θα χρειαζόταν χρόνια για να επιτευχθεί με συμβατικές μεθόδους. Οι εικόνες περιλαμβάνουν 1,4 petabyte δεδομένων, που ισοδυναμούν με 14.000 κινηματογραφικές ταινίες ανάλυσης 4K.
«Βρήκαμε πολλά πράγματα σε αυτό το σύνολο δεδομένων που δεν υπάρχουν στα βιβλία. Δεν καταλαβαίνουμε ακόμη τα δεδομένα αλλά μπορώ να σας πω ότι υποδηλώνουν ότι υπάρχει ένα χάσμα μεταξύ αυτού που ήδη γνωρίζουμε και αυτού που πρέπει να γνωρίζουμε» λέει ο Λίχτμαν.
Σε μια περίεργη παρατήρηση, οι λεγόμενοι πυραμιδικοί νευρώνες, οι οποίοι έχουν μεγάλους κλάδους οι οποίοι ονομάζονται δενδρίτες που προεξέχουν από τις βάσεις τους, εμφάνιζαν μια περίεργη συμμετρία, με μερικούς να κοιτούν προς τα εμπρός και άλλους προς τα πίσω. Άλλες εικόνες αποκάλυψαν λεπτές ίνες που μεταφέρουν σήματα από το ένα εγκεφαλικό κύτταρο στο άλλο να βρίσκονται σε μια κατάσταση στροβιλιζόμενου εναγκαλισμού σαν να είχαν κολλήσει σε έναν κυκλικό κόμβο πριν εντοπίσουν τη σωστή έξοδο και συνεχίσουν το δρόμο τους.
Οι συνδέσεις
Ο χάρτης αποκάλυψε επίσης σπάνιες περιπτώσεις όπου οι νευρώνες έκαναν εξαιρετικά ισχυρές συνδέσεις με άλλα κύτταρα. Οι ερευνητές μελέτησαν τους νευράξονες (νευρικές ίνες ή νευρίτες) που επιμήκεις, λεπτές προεκτάσεις ενός νευρικού κυττάρου, ή νευρώνα, που άγει ηλεκτρικές ώσεις μακριά από το κυτταρικό σώμα του νευρώνα.
Σε ολόκληρο το κομμάτι του εγκεφαλικού ιστού, περισσότερο από το 96% των νευραξόνων έκαναν μόνο μία σύνδεση με ένα κύτταρο στόχο, με το 3% να κάνει δύο συνδέσεις. Αλλά μια χούφτα έκανε δεκάδες συνδέσεις, και σε μια περίπτωση περισσότερες από 50, με ένα κοντινό κύτταρο.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι τέτοιες ισχυρές συνδέσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν να εξηγήσουν πώς οι καλά μαθημένες συμπεριφορές όπως το να αφαιρείς το πόδι σου από το γκάζι και να πατάς το φρένο σε κόκκινο φως απαιτούν σχεδόν μηδενική σκέψη μετά από αρκετή εξάσκηση. «Πιστεύω ότι αυτές οι ισχυρές συνδέσεις μπορεί να είναι μέρος του συστήματος των μαθησιακών πληροφοριών και του πώς φαίνεται η μάθηση στον εγκέφαλο» λέει ο Λίχτμαν.
Προς το παρόν, οι ερευνητές δεν σκέφτονται καν να χαρτογραφήσουν έναν ολόκληρο ανθρώπινο εγκέφαλο ως εξαιρετικά δύσκολο εγχείρημα και προσανατολίζονται στην ανακατασκευή της καλωδίωσης ενός ολόκληρου εγκεφάλου ποντικιού. Αυτό θα μπορούσε να ρίξει φως στα κυκλώματα του εγκεφάλου που κάνουν ένα ποντίκι να κινείται προς το ελβετικό τυρί και με τη σειρά του τι κάνει έναν άνθρωπο να σταματά έξω από ένα αρτοποιείο. «Θα αποκτούσατε κάποια εικόνα για το πώς η ανθρώπινη βούληση καθοδηγείται από την αισθητηριακή εμπειρία. Υπάρχουν πραγματικά υπέροχες ευκαιρίες, αν έχετε έναν ολόκληρο εγκέφαλο ποντικιού, να αποκτήσετε μια εικόνα για την ελεύθερη βούληση. Ξέρεις, ένα ποντίκι δεν είναι ρομπότ» καταλήγει ο Λίχτμαν.
Naftemporiki.gr
