211service.com
Et ledningsdiagram over hjernen
Nye teknologier, der gør det muligt for forskere at spore hjernens fine ledninger mere præcist end nogensinde før, kunne snart generere et komplet ledningsdiagram – inklusive hver eneste lille fiber og minimale forbindelse – af et stykke hjerne. Disse kort kaldet connectomics kunne afsløre, hvordan neurale netværk udfører deres præcise funktioner i hjernen, og de kunne kaste lys over lidelser, der menes at stamme fra defekte ledninger, såsom autisme og skizofreni.
Analyse af axoner: Forskere udvikler nye måder at studere det sammenfiltrede net af neuroner i hjernen. Dette billede viser en delvis rekonstruktion af kaninens nethinde. Neurale projektioner, som forbinder neuron til neuron, er mærket i forskellige farver.
Hjernen er i bund og grund en computer, der forbinder sig selv under udvikling og kan omkoble sig selv, siger Seung seung , en computational neuroscientist ved MIT. Hvis vi har et ledningsdiagram over hjernen, kan det hjælpe os med at forstå, hvordan det fungerer. For eksempel har forskere tidligere identificeret den del af sangfuglens hjerne, der er vigtig for fuglenes evne til at generere sange. Seung vil i sidste ende gerne udvikle et ledningsdiagram over denne struktur for at belyse de funktioner, der ligger til grund for dens unikke evne.
Kun én organismes ledningsdiagram eksisterer i øjeblikket: det for den mikroskopiske orm C. elegans . På trods af at de kun indeholder 302 neuroner, C. elegans kortlægningsindsatsen tog mere end et årti at fuldføre i 1970'erne. Det har været en uvurderlig forskningsressource og har givet dens skabere en Nobelpris.
Med anslået 100 milliarder neuroner og 100 billioner synapser i den menneskelige hjerne er det en skræmmende opgave at skabe et altomfattende kort over selv en lille del. Ved at bruge standardmetoder ville det tage omkring tre milliarder menneskeår at generere ledningsdiagrammet for en enkelt kortikal søjle, en snæver funktionel enhed af neuroner i cortex, skønner Winfried Denk , en neurovidenskabsmand ved Max Planck Institute for Medical Research i Heidelberg, Tyskland.
Multimedier
Se en 3D-rekonstruktion af et stykke kanin nethinden.
Denk, Seung og deres samarbejdspartnere udvikler nu følsomme nye billedbehandlingsteknikker og maskinlæringsalgoritmer til at automatisere byggeprocessen. De har allerede genereret et delvist ledningsdiagram over en del af kaninens nethinde. Men de bliver nødt til at gøre deres teknik en million gange hurtigere for endelig at bringe større kort – som for en kortikal søjle – ind i virkelighedens rige.
Tidligere bestræbelser på at kortlægge hjernens ledninger har fokuseret på større anatomiske træk, såsom de tykke ledningskanaler, der forbinder forskellige dele af hjernen, eller på stierne af enkelte neuroner, farvede en bestemt farve for at skelne dem fra deres sammenfiltrede mængde af naboer. Men for virkelig at forstå, hvordan et netværk af neuroner kan udføre en bestemt funktion, har videnskabsmænd brug for en ny slags kort. En masse egenskaber ved hjernefunktion er på niveau med kredsløbet - information bliver integreret, behandlet, udtrukket, siger Elly Nedivi , en neuroforsker ved MIT, som ikke er involveret i forskningen. For at forstå, hvad det betyder, skal du være i stand til at se, hvem der forbinder til hvem.
Denk og hans kolleger udviklede en ny teknik til at lave mere finskalerede ledningskort ved hjælp af elektronmikroskopi. Startende med en lille blok af hjernevæv, afviser forskerne elektroner fra toppen af blokken for at generere et tværsnitsbillede af nervefibrene i den skive. De tager derefter en meget tynd -30 nanometer - skive af toppen af blokken og gentager processen. Forskere gennemgår billederne skive for skive for at spore stien for hver nervefiber. Gentag denne [proces] tusindvis af gange, og du kan komme igennem måske hele fluehjernen, siger Denk.
Seung og Denk sigter mod dramatisk at fremskynde sporingsprocessen, som tager en enkelt kandidatstuderende uger at gennemføre, med automatiserede maskinlæringsalgoritmer. Forskerne bruger data fra et manuelt genereret ledningsdiagram til at træne et kunstigt neuralt netværk til at efterligne den menneskelige sporingsprocessen. De kan derefter bruge den resulterende algoritme til at analysere nye bidder af hjernevæv. Til dato har de været i stand til at fremskynde processen omkring hundrede til tusind gange.
Forskerne præsenterede deres første resultater for en forbløffende skare på stedet Selskab for Neurovidenskab møde i San Diego tidligere på måneden. De viste den tredimensionelle rekonstruktion af en del af kaninens nethinde kaldet det indre plexiforme lag, som er et stykke neuralt væv bagerst i øjet, der registrerer lys og sender visuel information til hjernen. (Se en film af rekonstruktionen her .) Men vi er nødt til at forbedre os 106 gange eller mere, siger Denk, der vurderer, at dette vil skrumpe de tre milliarder personår, det ville tage at spore en kortikal søjle ned til omkring to år. Jeg er overbevist om, at vi i sidste ende vil være i stand til det, siger han. Men jeg ved ikke, hvor lang tid det vil tage os – hvis vi er heldige, måske et år eller deromkring.
Tidligere på måneden beskrev forskere ved Harvard en ny metode til at spore neuroner i den levende hjerne ved at mærke dem med op til hundrede forskellige farver. (Se The Technicolor Brain.) Vi er begyndt at tænke på ledningsdiagrammer som værende fundamentale, siger Jeff Lichtman, en af forskerne, der har udviklet teknikken.
Forskere siger, at de to tilgange sandsynligvis vil være komplementære, hvilket gør det muligt for forskere at se på neurale kredsløb af forskellige dimensioner. Til sidst sigter Seung på at generere kort over hele flueforbindelsen, såvel som delvise ledningsdiagrammer over interessante steder i større hjerner, såsom hippocampus, olfaktoriske pære og nethinden.
Præcis hvor meget lys disse kort vil kaste på hjernen er stadig noget kontroversielt. Bare det at kende [lednings]dataene vil ikke tage os langt, hvis vi ikke sætter dem i rammerne for behandling og overførsel af data i hjernen, siger David van Essen , neuroforsker ved Washington University i St. Louis og præsident for Society for Neurosciences. Seung og andre håber til sidst at generere kort, der inkorporerer forskellige cellers biokemiske og fysiologiske egenskaber i ledningsdiagrammerne.