Иновативна техника създава подробна карта на мозъка на мишка
В началото на октомври учени разкриха нещо грандиозно – пълна карта на мозъка на плодова муха. Приблизително с размер на зърно сол, мозъкът на мухата има 140 000 неврона. Те са свързани с почти 150 метра биологично окабеляване. Картата показва безброй видове клетки и техното свързване. Откритието може да ни помогне да разберем по-добре как работят сложните органи.
Стотици учени прекараха десетилетие в изрязване на мозъка на малки парчета, които могат да бъдат фотографирани с висока разделителна способност. Сглобяването на тези милиони изображения в единна картина ще помогне за анализирането на всичко от човешките експерти и софтуер за изкуствен интелект.
Сега изследователите искат да картографират мозък на мишка със 70 милиона неврона. Най-голямото постижение би бил човешкият мозък. В него съществуват над 100 милиарда неврони, които имат 100 трилиона връзки. Не е ясно дали изобщо е възможно да се завърши такъв мащабен проект и дали нашите изчислителни системи могат да се справят с подобно предизвикателството.
Организацията E11 Bio
През последните три години около дузина изследователи работят в лабораторията на E11 в Калифорния. Целта е да се разработят техники, които да направят мозъчното картографиране по-добро, евтино и бързо.
В много отношения мозъкът е най-сложната биологична система. По-доброто мозъчно картографиране може да доведе до пробиви в лечението на някои заболявания, както и до подобрения в AI системите, предназначени да имитират човешкия мозък.
Едно от основните предизвикателства е осмислянето на ултраплътните мозъчни изображения. Изследователи от Харвардския университет и Google наскоро създадоха триизмерно изображение на 1 кубичен милиметър от човешки мозък. То съдържа около 57 000 клетки и 150 милиона синапса, свързващи невроните. Изображението е изградено с 1,4 петабайта данни (еквивалента на 14 000 филма с висока разделителна способност). То показва хаотична маса от биологични кабели, не по-различни от преплетени купчини спагети.
Сложен процес
За да разберат как функционира тази част от тъканта, изследователите трябва да намерят неврон и след това да проследят връзките му с други неврони. Все едно да проследите една нишка спагети през плетеница от друга юфка, за да видите къде започва и спира, като начертаете всички точки, където се допират двата вида.
Голяма част от това днес се прави от AI софтуер. В последствие хората вършат усърдната работа по коригиране на грешките и проследяване на кабелните пътища, които AI е пропуснал. Wellcome Trust, благотворителната организация, която финансира научни изследвания, е изчислила, че ще са необходими повече от 15 години, за да се произведе цял конектом на мишка. Процесът ще струва от 7,5 до 21,7 милиарда долара. По-голямата част от разходите биха дошли от заплащането на тези човешки коректори.
Въпреки че има групи, които финансират този тип работа в различна степен, не е ясно дали правителство или изследователски орган биха били готови да отделят такава зашеметяваща сума.
Подходът на Е11
Подходът на E11 е създаване на един вид мозъчен етикет. Лабораторията прави това чрез инжектиране на мозък на мишка с вируси, които пренасят фрагменти от ДНК до отделни неврони и ги инструктират да произвеждат специални протеини. След това тези протеини стават биологичен еквивалент на баркод. Ако инжектирате мозък с достатъчно вируси, отделните неврони и други структури завършват с комбинации от протеини. Те служат като уникални идентификатори. Нужни са около три седмици на вирусите да свършат работата си. След това мозъкът на мишката се разрязва.
В последствие E11 изпраща антитела в мозъка, които доставят флуоресцентни багрила на протеините. Така може да се използват оптични микроскопи за осветяване на тъканта с лъч светлина и улавяне на цветовете. Всеки неврон свети със свой собствен цвят и окабеляването му може да бъде проследено. Мозъчната тъкан по същество има вградени етикети на различните структури и пътища на окабеляване.
Оптични и електронни микроскопи
Оптичните микроскопи могат да работят с по-големи проби от тъкани, отколкото електронните. Последните са използвани в повечето други изследвания на свързването. Това намалява необходимото нарязване на мозъка. E11 може да анализира цял мозък на мишка от няколкостотин среза, вместо 100 000. Толкова биха били необходими, ако се използва помощта на електронни микроскопи. В допълнение, картите на окабеляването трябва да бъдат по-точни и да изискват по-малко корекция.
FRO
E11 е целенасочена изследователска организация или FRO. Това е концепция, която подпомогна популяризирането на важна научна работа. Вместо да участват в отворени изследвания, FRO са предназначени да се занимават с конкретен проблем в продължение на около пет години. Така ще видят дали могат да постигнат решаващ напредък, споделяйки своите открития с по-широката научна общност. Преследването на много важни пробиви е твърде скъпо или рисковано за университетите. То е несигурно от търговска гледна точка за стартиращи фирми. FRO функционират като вид полигон за нови идеи, които биха могли да развият науката широко и да доведат до набор от стартиращи компании.
Технологията за белтъчно маркиране на E11 се е справила достатъчно добре, за да може FRO да премине от режим на доказване на концепцията към изграждане на инфраструктура за изображения.
