211service.com
Ett kopplingsschema över hjärnan
Ny teknik som gör det möjligt för forskare att spåra hjärnans fina ledningar mer exakt än någonsin tidigare skulle snart kunna generera ett komplett kopplingsschema – inklusive varje liten fiber och minimal anslutning – av en del av hjärnan. Dessa kartor, kallade connectomics, kunde avslöja hur neurala nätverk utför sina exakta funktioner i hjärnan, och de kan belysa störningar som tros härröra från felaktiga ledningar, såsom autism och schizofreni.
Analysera axoner: Forskare utvecklar nya sätt att studera det trassliga nätet av nervceller i hjärnan. Denna bild visar en partiell rekonstruktion av kaninnäthinnan. Neurala projektioner, som förbinder neuron till neuron, är märkta i olika färger.
Hjärnan är i huvudsak en dator som kopplar upp sig själv under utveckling och kan koppla om sig själv, säger Seung seung , en beräkningsneuroforskare vid MIT. Om vi har ett kopplingsschema över hjärnan kan det hjälpa oss att förstå hur det fungerar. Till exempel har forskare tidigare identifierat den del av sångfågelns hjärna som är viktig för fåglarnas förmåga att generera sånger. Seung skulle i slutändan vilja utveckla ett kopplingsschema för denna struktur för att belysa egenskaperna bakom dess unika förmåga.
Endast en organisms kopplingsschema finns för närvarande: det för den mikroskopiska masken C. elegans . Trots att den innehåller endast 302 neuroner, C. elegans kartläggningen tog mer än ett decennium att slutföra, på 1970-talet. Det har varit en ovärderlig forskningsresurs och gett dess skapare ett Nobelpris.
Med uppskattningsvis 100 miljarder neuroner och 100 biljoner synapser i den mänskliga hjärnan är det en skrämmande uppgift att skapa en allomfattande karta över även en liten bit. Med standardmetoder skulle det ta ungefär tre miljarder personår att generera kopplingsschemat för en enda kortikal kolumn, en smal funktionell enhet av neuroner i cortex, uppskattningar Winfried Denk , en neuroforskare vid Max Planck Institute for Medical Research i Heidelberg, Tyskland.
Multimedia
Se en 3D-rekonstruktion av ett stycke av kaninnäthinnan.
Denk, Seung och deras medarbetare utvecklar nu känsliga nya bildtekniker och maskininlärningsalgoritmer för att automatisera byggprocessen. De har redan skapat ett partiellt kopplingsschema över en del av kaninnäthinnan. Men de måste göra sin teknik en miljon gånger snabbare för att äntligen få större kartor – som en kortikal kolumn – till verklighetens rike.
Tidigare ansträngningar för att kartlägga hjärnans ledningar har fokuserat på större anatomiska egenskaper, såsom de tjocka ledningskanalerna som förbinder olika delar av hjärnan, eller på vägarna för enstaka neuroner, färgat en viss färg för att skilja dem från deras trassliga mängd av grannar. Men för att verkligen förstå hur ett nätverk av neuroner kan utföra en viss funktion behöver forskare en ny typ av karta. Många egenskaper hos hjärnans funktion finns på kretsens nivå - information integreras, bearbetas, extraheras, säger Elly Nedivi , en neuroforskare vid MIT som inte är involverad i forskningen. För att förstå vad det betyder måste du kunna se vem som ansluter till vem.
Denk och hans kollegor utvecklade en ny teknik för att göra mer finskaliga ledningskartor med hjälp av elektronmikroskopi. Börjar med ett litet block av hjärnvävnad, forskarna studsar elektroner från toppen av blocket för att generera en tvärsnittsbild av nervfibrerna i den skivan. De tar sedan en mycket tunn -30 nanometer - skiva från toppen av blocket och upprepar processen. Forskare går igenom bilderna bit för bit för att spåra banan för varje nervfiber. Upprepa denna [process] tusentals gånger, så kan du ta dig igenom kanske hela flughjärnan, säger Denk.
Seung och Denk siktar på att dramatiskt påskynda spårningsprocessen, som tar en enda doktorandveckor att slutföra, med automatiserade maskininlärningsalgoritmer. Forskarna använder data från ett manuellt genererat kopplingsschema för att träna ett artificiellt neuralt nätverk för att efterlikna den mänskliga spårningsprocessen. De kan sedan använda den resulterande algoritmen för att analysera nya bitar av hjärnvävnad. Hittills har de kunnat påskynda processen omkring hundra till ett tusen gånger.
Forskarna presenterade sina första rön för en häpnadsväckande folkmassa på Society for Neurosciences möte i San Diego tidigare denna månad. De visade den tredimensionella rekonstruktionen av en del av kaninnäthinnan som kallas det inre plexiforma lagret, vilket är en bit neural vävnad på baksidan av ögat som känner av ljus och skickar visuell information till hjärnan. (Se en film om rekonstruktionen här .) Men vi måste förbättra 106 gånger eller mer, säger Denk, som uppskattar att detta skulle krympa de tre miljarder personår som det skulle ta att spåra en kortikal kolumn ner till cirka två år. Jag är övertygad om att vi i slutändan kommer att klara det, säger han. Men jag vet inte hur lång tid det kommer att ta oss – om vi har tur, kanske ett år eller så.
Tidigare denna månad beskrev forskare vid Harvard en ny metod för att spåra nervceller i den levande hjärnan genom att märka dem med upp till hundra olika färger. (Se The Technicolor Brain.) Vi börjar tänka på kopplingsscheman som grundläggande, säger Jeff Lichtman, en av forskarna som utvecklade tekniken.
Forskare säger att de två tillvägagångssätten sannolikt kommer att komplettera varandra, vilket gör det möjligt för forskare att titta på neurala kretsar av olika dimensioner. Så småningom siktar Seung på att generera kartor över hela fluganslutningen, såväl som partiella kopplingsscheman över intressanta platser i större hjärnor, såsom hippocampus, luktkolan och näthinnan.
Exakt hur mycket ljus dessa kartor kommer att sprida på hjärnan är fortfarande något kontroversiellt. Att bara känna till [lednings]data kommer inte att ta oss långt om vi inte sätter dem inom ramen för bearbetning och överföring av data i hjärnan, säger David van Essen , en neuroforskare vid Washington University, i St. Louis, och ordförande för Society for Neurosciences. Seung och andra hoppas så småningom kunna generera kartor som införlivar de biokemiska och fysiologiska egenskaperna hos olika celler i kopplingsscheman.