O privire profundă asupra unei bucăți de creier uman dezvăluie ciudații nevăzute până acum

O nouă viziune asupra creierului uman arată rezidenții săi celulari în toată gloria lor sălbatică și ciudată. Harta, desenată dintr-o mică bucată din creierul unei femei, prezintă formele variate a 50.000 de celule și 130 de milioane de conexiuni între ele.

Această hartă complicată, numită H01 pentru „proba umană 1”, reprezintă o piatră de hotar în încercarea oamenilor de știință de a oferi descrieri tot mai detaliate ale creierului (SN: 2/7/14).

„Este absolut frumos”, spune neurologul Clay Reid de la Institutul Allen pentru Știința Creierului din Seattle. „În cel mai bun mod posibil, este începutul a ceva foarte interesant.”

Oamenii de știință de la Universitatea Harvard, Google și din alte părți au pregătit și analizat proba de țesut cerebral. Mai mic decât o sămânță de susan, fragmentul de creier era aproximativ o milioneme din volumul întregului creier. A venit din cortexul – stratul exterior al creierului responsabil pentru gândirea complexă – al unei femei de 45 de ani, supusă unei intervenții chirurgicale pentru epilepsie. După ce a fost îndepărtat, proba de creier a fost rapid conservată și colorată cu metale grele care au scos la iveală structuri celulare. Eșantionul a fost apoi tăiat în mai mult de 5.000 de bucăți subțiri și fotografiat cu microscoape electronice puternice.

Programele de calcul au îmbinat imaginile rezultate, iar programele de inteligență artificială i-au ajutat pe oamenii de știință să le analizeze. O scurtă descriere a vederii rezultate a fost publicată ca preprint 30 mai pe bioRxiv.org. Setul complet de date este disponibil gratuit online.

fundal negru cu celule nervoase verzi și violete cu o mulțime de vârle lungi
Acești doi neuroni sunt simetrici în oglindă. Nu este clar de ce aceste celule iau aceste forme. Laboratorul Lichtman/Universitatea Harvard, Echipa Connectomics/Google

Deocamdată, cercetătorii abia încep să vadă ce este acolo. „Tocmai ne-am băgat degetul în acest set de date”, spune coautorul studiului Jeff Lichtman, neurobiolog de dezvoltare la Universitatea Harvard. Lichtman compară harta creierului cu Google Earth: „Sunt pietre prețioase acolo de găsit, dar nimeni nu poate spune că s-a uitat la tot.”

Dar deja au apărut câteva obiective „fantastic de interesante”, spune Lichtman. „Când ai seturi mari de date, deodată aceste lucruri ciudate, aceste lucruri ciudate, aceste lucruri rare încep să iasă în evidență.”

O astfel de curiozitate se referă la sinapsele, punctele de conexiune unde semnalele se deplasează între celulele nervoase. De obicei, majoritatea axonilor care trimit mesaje ating o dendrita care primește mesaje doar o dată. În noul set de date, aproximativ 90% dintre conexiuni au fost aceste contacte cu o singură lovitură. Unele perechi de celule au ceva mai multe contacte. Dar din când în când, cercetătorii au observat celule care se conectează de mai multe ori, inclusiv o pereche care a fost conectată prin 19 sinapse.

Conexiuni multiple au fost observate în creierul șoarecilor, deși nu la fel de abundent ca în acest eșantion uman. Și creierul muștelor poate avea, de asemenea, multe conexiuni între celule, deși sunt mai dispersate decât conexiunile umane nou descrise, spune neurologul Pat Rivlin de la Campusul de Cercetare Janelia al Institutului Medical Howard Hughes din Ashburn, Virginia. Acolo, Rivlin lucrează la Proiectul FlyEM. care își propune să creeze hărți detaliate ale sistemului nervos al muștei fructelor.

Setul mare de date despre creierul uman oferă o defalcare a cât de comune sunt aceste tipuri de conexiuni, spune Reid. Și asta ridică întrebarea ce ar putea face aceste sinapse extraordinar de puternice în creier.

fundal negru cu aglomerări violet încolăcite și conectate
În noua lor bază de date a țesutului creierului uman, cercetătorii au găsit exemple de fire neobișnuite de celule nervoase spiralate (violet), încolăciți ca șerpii.Laboratorul Lichtman/Universitatea Harvard, Echipa Connectomics/Google

Aceste celule ar putea fi capabile să-și forțeze celula țintă să intre în acțiune într-un mod puternic, speculează Lichtman. Poate că informațiile memorabile, cum ar fi să știi că de 5 ori 5 este 25 sau să știi să te oprești la un semafor roșu, se bazează pe aceste intrări puternice care conduc eficient informațiile prin creier.

Cercetătorul în neuroștiință moleculară Seth Grant de la Universitatea din Edinburgh subliniază că, deși harta este un instrument valoros, ea arată doar anatomia creierului. Alte cercetări vor ajuta la clarificarea funcției și compoziției moleculelor care conduc comportamentul creierului. Pentru moment, harta este „foarte un instrument de explorare”, spune el.

O curiozitate de explorat în continuare este observarea echipei a două celule nervoase, sau neuroni, care păreau a fi împletite într-un dans simetric. Imaginile au dezvăluit, de asemenea, axoni care transmit mesaje ai neuronilor care formează bobine elaborate, spirale neobișnuite și misterioase care arată ca șerpi încolăciți. „Nu văzusem niciodată așa ceva”, spune Lichtman. Odată ce cercetătorii au știut cum să caute aceste bobine, au apărut din ce în ce mai multe.

Aceste hărți ale creierului extrem de detaliate sunt punctul culminant al unor ani de cercetare, spune Reid, care lucrează la hărți ale creierului de șoarece și uman la Institutul Allen (SN: 8/7/19). „Este această perioadă magică din istorie” când instrumentele de creare a hărților, cum ar fi metodele de calcul, învățarea automată și microscoape puternice, sunt toate disponibile, spune Reid. „Această lucrare abia începe să vadă lumina zilei.”

Ceea ce vor dezvălui aceste hărți în cele din urmă este încă o presupunere a oricui. Lichtman este circumspect dacă aceste hărți vor duce la o înțelegere profundă a creierului. „Cred că cel mai bine putem face este să descriem”, spune el. „Sper că, la un moment dat, vom ajunge într-un loc în care să nu mai fim surprinși de ceea ce vedem.”