Istraživači su završili najnapredniju mapu mozga do sada, mapu insekata, značajno dostignuće u neuronauci koje naučnike približava pravom razumevanju mehanizma mišljenja.
Međunarodni tim predvođen Univerzitetom Džons Hopkins i Univerzitetom u Kembridžu napravio je neverovatno detaljan dijagram koji prati svaku neuronsku vezu u mozgu larve voćne mušice, arhetipski naučni model sa mozgom koji se može uporediti sa ljudskim.
Rad, koji će verovatno podržati buduća istraživanja mozga i inspirisati nove arhitekture mašinskog učenja, pojavljuje se danas u časopisu Science.
„Ako želimo da razumemo ko smo i kako razmišljamo, deo toga je razumevanje mehanizma misli“, rekao je stariji autor Džošua T. Vogelštajn, biomedicinski inženjer Džons Hopkins koji je specijalizovan za projekte zasnovane na podacima, uključujući konektomiku, studiju veza nervnog sistema. „A ključ za to je saznanje kako se neuroni povezuju jedni sa drugima.“
Prvi pokušaj mapiranja mozga — 14-godišnje istraživanje okruglog crva započeto 1970-ih, rezultiralo je delimičnom mapom i Nobelovom nagradom. Od tada, delimični konektomi su mapirani u mnogim sistemima, uključujući muve, miševe, pa čak i ljude, ali ove rekonstrukcije obično predstavljaju samo mali deo ukupnog mozga. Sveobuhvatni konektomi su generisani samo za nekoliko malih vrsta sa nekoliko stotina do nekoliko hiljada neurona u svojim telima – okrugli crv, larvalni morski špricer i larvalni morski annelid crv. Ovaj video se kreće kroz poprečne preseke mozga da bi otkrio konačne rekonstruisane neurone. Zasluge: Univerzitet Džons Hopkins/Univerzitet u Kembridžu
Konektom ovog tima bebe voćne mušice, larve Drosophila melanogaster, je najkompletnija i najopsežnija mapa celog mozga insekata ikada završena. Uključuje 3.016 neurona i svaku vezu između njih: 548.000.
„Prošlo je 50 godina i ovo je prvi moždani konektom. To je zastava u pesku da možemo ovo da uradimo“, rekao je Vogelštajn. „Sve je funkcionisalo u skladu sa ovim.“
Mapiranje celog mozga je teško i izuzetno dugotrajno, čak i uz najbolju modernu tehnologiju. Da bi se dobila potpuna slika mozga na ćelijskom nivou, potrebno je da se mozak seče na stotine ili hiljade pojedinačnih uzoraka tkiva, koji svi moraju biti snimljeni elektronskim mikroskopima pre mukotrpnog procesa rekonstrukcije svih tih delova, neuron po neuron, u potpuni , tačan portret mozga. Bilo je potrebno više od decenije da se to uradi sa bebom voćne mušice. Procenjuje se da je mozak miša milion puta veći od mozga bebe voćne mušice, što znači da šansa za mapiranje bilo čega što je blizu ljudskom mozgu nije verovatna u bliskoj budućnosti, možda čak ni u našim životima.
Tim je namerno odabrao larvu voćne mušice jer, za insekta, vrsta deli veliki deo svoje fundamentalne biologije sa ljudima, uključujući uporedivu genetsku osnovu. Takođe ima bogato ponašanje u učenju i donošenju odluka, što ga čini korisnim modelom organizma u neuronauci. A u praktične svrhe, njegov relativno kompaktan mozak se može snimiti i njegova kola rekonstruisati u razumnom vremenskom okviru.
Uprkos tome, Univerzitetu u Kembridžu i Džons Hopkinsu je za rad trebalo 12 godina. Samo snimanje je trajalo oko jedan dan po neuronu.
Istraživači sa Kembridža kreirali su slike mozga visoke rezolucije i ručno ih proučavali kako bi pronašli pojedinačne neurone, rigorozno prateći svaki i povezujući njihove sinaptičke veze.
Kembridž je predao podatke Džonsu Hopkinsu, gde je tim proveo više od tri godine koristeći originalni kod koji su kreirali za analizu povezanosti mozga. Tim Džonsa Hopkinsa je razvio tehnike za pronalaženje grupa neurona na osnovu zajedničkih obrazaca povezivanja, a zatim je analizirao kako informacije mogu da se šire kroz mozak. Konektom prikazuje kako neuroni komuniciraju unutar svake hemisfere mozga i preko hemisfera mozga. Zasluge: Univerzitet Džons Hopkins/Univerzitet u Kembridžu
Na kraju, ceo tim je zacrtao svaki neuron i svaku vezu, i kategorisao svaki neuron prema ulozi koju igra u mozgu. Otkrili su da su najprometnija kola u mozgu ona koja vode do neurona centra za učenje i dalje od njih.
Metode koje je Johns Hopkins razvio su primenljive na bilo koji projekat povezivanja mozga, a njihov kod je dostupan svakome ko pokuša da mapira još veći životinjski mozak, rekao je Vogelštajn, dodajući da se uprkos izazovima očekuje da naučnici preuzmu miša, verovatno unutar sledeće decenije. Drugi timovi već rade na mapi mozga odrasle voćne mušice. Prvi autor Benjamin Pedigo, doktorski kandidat Džons Hopkins za biomedicinsko inženjerstvo, očekuje da bi kod tima mogao pomoći u otkrivanju važnih poređenja između veza u mozgu odrasle osobe i larve. Kako se konektomi stvaraju za više larvi i drugih srodnih vrsta, Pedigo očekuje da bi njihove tehnike analize mogle dovesti do boljeg razumevanja varijacija u ožičenju mozga.
Rad larve voćne mušice pokazao je karakteristike kola koje su upadljivo podsećale na istaknute i moćne arhitekture mašinskog učenja. Tim očekuje da će nastavak istraživanja otkriti još više računarskih principa i potencijalno inspirisati nove sisteme veštačke inteligencije.
„Ono što smo naučili o kodu za voćne mušice imaće implikacije na kod za ljude“, rekao je Vogelštajn. „To je ono što želimo da razumemo – kako napisati program koji vodi do mreže ljudskog mozga.“
