Ilmuwan membangun otak terbesar 'Connectome' hingga saat ini dengan memiliki lab mouse menonton 'The Matrix' dan 'Star Wars'
Otak mamalia adalah jaringan yang kompleks dari miliaran sel yang terhubung melalui triliunan node yang belum dipisahkan oleh para ahli saraf. Sekarang, para peneliti telah memetakan banyak sel otak dan koneksi dalam sebagian otak tikus yang mencakup hanya 1 milimeter kubik – kira -kira seukuran butiran pasir.
“Sebuah milimeter tampaknya kecil, tetapi dalam milimeter itu ada kilometer kabel,” Jacob Reimerseorang ahli saraf di Baylor College of Medicine, mengatakan kepada Live Science. Reimer adalah penulis senior dari salah satu dari 10 studi baru di mana para ilmuwan merinci bagaimana mereka membangun peta otak yang luar biasa ini.
Reimer adalah bagian dari Konsorsium Mikrontim yang terdiri dari lebih dari 150 peneliti dari beberapa institusi AS. Dalam serangkaian makalah mereka yang diterbitkan di Nature Journals pada 9 April, para peneliti tidak hanya meluncurkan peta saraf 3Ddisebut “Connectome,” tetapi juga menggambarkan bagaimana mereka menggunakan dataset ini untuk menjelajahi pekerjaan otak.
“Pendekatan ini menjembatani kesenjangan mendasar dalam ilmu saraf antara mengamati apa yang dilakukan neuron dan memahami bagaimana mereka terhubung,” Lilianne Mujica-Parodiseorang ahli saraf di Stony Brook University yang tidak terlibat dengan pekerjaan itu, mengatakan kepada Live Science dalam email.
Bagaimana peta otak dipetakan
Para peneliti membangun Connectome menggunakan tikus laboratorium hidup yang dimodifikasi secara genetik sehingga neuronnya bersinar saat bersemangat. Ini memungkinkan para peneliti untuk mendeteksi sel -sel otak menggunakan mikroskop sementara mouse menonton video dan klip YouTube, termasuk adegan dari “Mad Max: Fury Road,” “The Matrix” dan “Star Wars: Episode VII – The Force Awakens.”
Para peneliti merekam aktivitas otak dari 76.000 neuron dalam blok milimeter kubik lobus oksipital, yang terletak di bagian belakang otak dan merupakan kunci untuk pemrosesan visual. Kemudian, tim mengekstraksi otak mouse dan memeriksa fitur anatomi, seperti bentuk dan koneksi sel, dari lobus yang sama menggunakan mikroskop elektron.
Selanjutnya, menggunakan gambar sel anatomi dan bersinar sebagai pemandu, a Pembelajaran Mesin Algoritma melacak sel -sel otak dan ekstensi mereka, menghasilkan peta 3D akhir. Prestasi kartografi berisi 200.000 sel dan 523 juta koneksi antara neuron, yang disebut sinapsis.
Otak mengandung berbagai jenis sel yang melakukan fungsi yang berbeda, termasuk neuron, yang mengirim sinyal, dan sel glial, yang mendukung fungsi neuron. Alat Pembelajaran Mesin dibedakan antara puluhan jenis sel berdasarkan fitur fisik mereka.
Forrest Collmanseorang ahli saraf di Allen Institute dan penulis senior dua makalah, mengatakan dataset ini tiga kali lebih besar dari connectome yang diambil dari bagian dari otak manusia dan 40 kali lebih besar dari connectome Otak terbang buah utuhmenjadikannya Connectome terbesar hingga saat ini.
Terlepas dari seberapa padat datasetnya, Reimer mengatakan itu tidak lengkap – beberapa sel otak hilang.
Connectome juga berisi ekstensi “yatim” yang tampaknya tidak berasal dari sel mana pun. Ini bisa jadi karena sel -sel itu sendiri tidak terdeteksi oleh algoritma pembelajaran mesin atau karena ekstensi terhubung ke sel di luar batas wilayah sampel.
“Ada banyak proofreading yang diperlukan,” kata Reimer, dan banyak dari pemeriksaan ganda itu harus dilakukan secara manual oleh para ilmuwan. Yang mengatakan, timnya mengembangkan alat perangkat lunak mengotomatiskan sebagian langkah penyempurnaan ini.
Wawasan baru tentang koneksi saraf
Ada pepatah pepatah yang mengatakan neuron itu “Api bersama kawat bersama,” Artinya, setidaknya di jarak pendek, sel -sel otak yang diaktifkan bersama -sama lebih cenderung membentuk koneksi. Connectome mengungkapkan bahwa pola ini juga benar atas pengangkutan yang lebih lama, mencakup lebar 1 mm dari blok sampel.
Collman mengatakan bahwa Connectome juga mengungkapkan informasi baru tentang bagaimana apa yang disebut neuron penghambat-yang membuat neuron lain lebih kecil kemungkinannya untuk menembak- sebenarnya mematikan penembakan di neuron rangsang.
Sebelum Connectome tersedia, ahli saraf tidak yakin apakah neuron penghambat menargetkan sel -sel spesifik dalam jaringan tertentu, daripada hanya mempengaruhi neuron lokal yang kebetulan berada dalam jangkauan dekat kabel mereka, kata Collman. Connectome mengungkapkan bahwa sel -sel penghambatan yang berasal dari area yang berbeda di otak dapat menyatu ke sel target yang sama yang terletak jauh, menunjukkan penghambatannya sangat spesifik.
Lebih banyak wawasan bisa keluar dari Connectome ini di masa depan.
“Penulis membuat data yang terkait dengan makalah yang tersedia untuk umum,” kata Max Aragonseorang mahasiswa doktoral neuroscience di Princeton University yang tidak terlibat dengan pekerjaan tersebut. “Ini adalah anugerah besar bagi komunitas Neuroscience,” katanya kepada Live Science dalam email, mencatat bahwa peneliti lain sekarang dapat memanfaatkan data untuk pekerjaan mereka sendiri.
Selain mengungkapkan bagaimana fungsi otak, Connectome dapat “memberikan wawasan penting untuk mengatasi gangguan neurologis di mana disfungsi sirkuit berperan,” kata Mujica-Parodi-misalnya, penumpukan dari plak pada penyakit Alzheimer dan pembentukan lesi pada multiple sclerosis sering merusak jaringan saraf.
Dan pekerjaan itu tidak berhenti di situ. “Kubus milimeter sangat besar,” kata Reimer, “tapi itu hanya sebagian kecil dari sistem visual mouse.”
Dalam dekade mendatang, inisiatif otak National Institutes of Health akan fokus pada pengembangan penghubung dari seluruh otak tikus, tambahnya, yang dapat membantu para peneliti untuk memahami sirkuit jarak jauh antara berbagai daerah otak.
Namun, masa depan proyek ini saat ini tidak pasti, seperti Kongres telah memotong $ 278 juta dari dana tahun lalu.
Catatan Editor: Max Aragon sebelumnya bekerja dengan dua penulis penelitian, Chris Xu dan Sven Dorkenwald.
