Acum zece ani, Dr. Jeff Lichtman, profesor de biologie moleculară și celulară la Universitatea Harvard, a primit în laboratorul său o mică mostră de creier.

Deși minuscul, 1 milimetru cub de țesut era suficient de mare pentru a conține 57.000 de celule, 230 de milimetri de vase de sânge și 150 de milioane de sinapse.

"Era mai mică decât un bob de orez, dar am început să o tăiem și să ne uităm la ea, și era foarte frumoasă", a spus el. "Dar pe măsură ce acumulam date, mi-am dat seama că aveam mult, mult mai mult decât puteam gestiona".

În cele din urmă, Lichtman și echipa sa s-au ales cu 1 400 de terabytes de date din eșantion - aproximativ conținutul a peste 1 miliard de cărți. Acum, după un deceniu de colaborare strânsă a echipei de laborator cu oamenii de știință de la Google, aceste date s-au transformat în cea mai detaliată hartă a unei mostre de creier uman creată vreodată.

Un creier în 300 de milioane de imagini

Mostra de creier a provenit de la un pacient cu epilepsie severă. Procedura standard, a spus Lichtman, este de a îndepărta o mică porțiune din creier pentru a opri crizele și apoi de a examina țesutul pentru a se asigura că este normal. "Dar a fost anonimizat, așa că nu am știut aproape nimic despre pacient, în afară de vârsta și sexul său", a spus el.

Pentru a analiza eșantionul, Lichtman și echipa sa l-au tăiat mai întâi în secțiuni subțiri cu ajutorul unui cuțit cu lama din diamant. Secțiunile au fost apoi încorporate într-o rășină dură și tăiate din nou, foarte subțire. "Aproximativ 30 de nanometri, sau aproximativ a 1 000-a parte din grosimea unui fir de păr uman. Erau practic invizibile, dacă nu ar fi fost faptul că le colorasem cu metale grele, ceea ce le făcea vizibile atunci când făceam imagistică electronică", a spus el.

Echipa a ajuns să aibă câteva mii de felii, care au fost preluate cu o bandă făcută la comandă, creând un fel de bandă de film: "Dacă fotografiați fiecare dintre aceste secțiuni și aliniați aceste imagini, obțineți o bucată tridimensională de creier la nivel microscopic". În acel moment, cercetătorii și-au dat seama că au nevoie de ajutor cu datele, deoarece imaginile rezultate ar ocupa o cantitate semnificativă de stocare.

Creierul și inteligența artificială

Lichtman știa că Google lucra la o hartă digitală a creierului unei muște de fructe, lansată în 2019, și dispunea de hardware-ul potrivit pentru această sarcină. El a luat legătura cu Viren Jain, un cercetător științific senior la Google care lucra la proiectul privind musca fructelor.

"Erau 300 de milioane de imagini separate (în datele de la Harvard)", a spus Jain. "Ceea ce face ca volumul de date să fie atât de mare este faptul că imaginile sunt realizate la o rezoluție foarte mare, la nivelul unei sinapse individuale. Și doar în acel mic eșantion de țesut cerebral existau 150 de milioane de sinapse." Pentru a da sens imaginilor, oamenii de știință de la Google au utilizat procesarea și analiza bazate pe inteligența artificială, identificând ce tip de celule se aflau în fiecare imagine și cum erau conectate. Rezultatul este un model 3D interactiv al țesutului cerebral și cel mai mare set de date realizat vreodată la această rezoluție pentru o structură a creierului uman. Google l-a pus la dispoziție online sub numele de "Neuroglancer", iar un studiu a fost publicat în revista Science în același timp, cu Lichtman și Jain printre coautori.

Înțelegerea creierului

Colaborarea dintre echipele de la Harvard și Google a avut ca rezultat imagini colorizate care fac componentele individuale mai vizibile, dar care, în rest, sunt o reprezentare veridică a țesutului.

"Culorile sunt complet arbitrare", a explicat Jain, "dar dincolo de asta, nu există prea multă licență artistică aici. Ideea este că nu inventăm - aceștia sunt neuronii reali, firele reale care există în acest creier, iar noi doar le facem convenabile și accesibile biologilor pentru a le vedea și studia."

Datele conțin unele surprize. De exemplu, în loc să formeze o singură conexiune, perechile de neuroni au în schimb mai mult de 50. "Este ca și cum două case de pe un bloc ar avea 50 de linii telefonice separate care le conectează. Ce se întâmplă acolo? De ce sunt atât de puternic conectate? Nu știm încă care este funcția sau semnificația acestui fenomen, va trebui să îl studiem în continuare", a spus el.

În cele din urmă, observarea creierului la acest nivel de detaliu ar putea ajuta cercetătorii să dea sens unor afecțiuni medicale nerezolvate, potrivit lui Lichtman.

"Ce înseamnă să ne înțelegem creierul? Cel mai bun lucru pe care am putea să-l facem este să-l descriem și să sperăm că din aceste descrieri va rezulta o realizare, de exemplu, despre modul în care creierele normale sunt diferite de creierele care sunt dezordonate, în bolile psihiatrice ale adulților sau în tulburările de dezvoltare precum spectrul autismului - acest tip de comparație va fi foarte valoros", a spus el. "În cele din urmă, ne va oferi o perspectivă asupra a ceea ce este greșit, ceea ce, în majoritatea cazurilor, încă nu știm".

Harta completă

Lichtman crede, de asemenea, că setul de date poate fi plin cu alte detalii uimitoare care, din cauza dimensiunii sale, nu au fost încă descoperite: "Și de aceea îl împărtășim online, astfel încât oricine să se poată uita la el și să găsească lucruri", a adăugat el.

În continuare, echipa din spatele proiectului își propune să creeze o hartă completă a creierului unui șoarece, ceea ce ar necesita între 500 și 1.000 de ori mai multe date decât eșantionul de creier uman.

"Asta ar însemna 1 exabyte, adică 1.000 de petabytes", a spus Lichtman. "O mulțime de oameni se gândesc intens la modul în care vom face acest lucru, iar noi suntem în primul an al unei dovezi de principiu de cinci ani. Cred că ar fi un moment de răscruce pentru neuroștiințe, să avem o schemă completă a creierului mamiferelor; ar răspunde la multe, multe întrebări. Și, desigur, ar dezvălui mult mai multe probleme, lucruri la care nu ne-am așteptat."

Dar cartografierea unui întreg creier uman? Aceasta ar fi de încă 1 000 de ori mai mare, a explicat Lichtman, ceea ce înseamnă că datele ar ajunge la 1 zettabyte. În 2016, aceasta a fost dimensiunea întregului trafic de internet pentru anul respectiv, potrivit Cisco. În prezent, a spus Lichtman, nu numai că ar fi dificil să se stocheze atât de multe date, dar nu ar exista nicio modalitate acceptabilă din punct de vedere etic de a obține un creier uman curat, bine conservat, scrie CNN.

Un teren nou

Cercetătorii din același domeniu care nu au fost implicați în această lucrare și-au exprimat entuziasmul atunci când au fost abordați de CNN pentru comentarii.

"Acest studiu este minunat și există atât de multe de învățat din astfel de date", a declarat Michael Bienkowski, profesor asistent de fiziologie și neuroștiințe la Școala de Medicină Keck a Universității din California de Sud.

"O mare parte din ceea ce credem că înțelegem despre creierul uman este extrapolat de la animale, dar cercetările de acest gen sunt esențiale pentru a dezvălui ceea ce ne face cu adevărat umani. Vizualizarea neuronilor și a altor celule ale creierului este o adevărată provocare din cauza densității și complexității lor, iar setul de date actual nu surprinde conexiunile de rază mai lungă", a declarat Bienkowski.

"Din ce alte regiuni ale creierului provin aceste intrări și unde se duc ieșirile odată ce părăsesc zona? Dar să vezi toate aceste tipuri diferite de celule și interacțiunile lor este incredibil și te face să apreciezi ce capodoperă de arhitectură ne-a dat viața", a adăugat el.

Andreas Tolias, profesor de oftalmologie la Universitatea Stanford din California, a fost de acord. "Acesta este un studiu tehnic remarcabil care reconstruiește structura cortexului uman la rezoluție înaltă", a spus el. "Am fost deosebit de încântat de descoperirea axonilor rari capabili să formeze până la 50 de sinapse. Această descoperire este intrigantă și ridică întrebări importante cu privire la rolurile lor computaționale."