Prošlog leta grupa neuronaučnika sa Univerziteta Harvard i Google inženjera objavila je prvi dijagram povezivanosti neurona (konektom, ožičavanje) dela ljudskog mozga. Tkivo, veličine glave igle, bilo je izdvojeno, obojeno teškim metalima, isečeno na 5.000 tankih slojeva i snimljeno pod elektronskim mikroskopom. Ovaj kubni milimetar tkiva čini manje od jednog milionitog dela celog ljudskog mozga. Ipak, ogromna količina podataka u obimu od 1,4 petabajta (1 petabajt je milion gigabajta) koji su ovim prikupljeni obuhvataju mikroskopske slike nervnih ćelija, krvnih sudova i još mnogo toga.
„To je kao da otkrivate novi kontinent“, rekao je Džef Lihtman sa Harvarda, stariji autor rada koji je predstavio ove rezultate. On je opisao niz zbunjujućih karakteristika koje je njegov tim već uočio u ljudskom tkivu, uključujući nove tipove ćelija koje nikada nisu viđene kod drugih životinja, kao što su neuroni sa aksonima koji se uvijaju i spiralno protežu jedan sa drugim i neuroni sa dva aksona umesto jednog. Ovi nalazi su samo zagrebali površinu: u potpunosti pretražiti uzorak, rekao je, bio bi zadatak sličan vožnji svakog puta u Severnoj Americi.
Lihtman je proveo svoju karijeru stvarajući i razmišljajući o ovim vrstama dijagrama neuronskog ožičenja, ili konektoma – sveobuhvatne mape svih neuronskih veza unutar dela ili celine živog mozga. Pošto konektom podržava svu neuronsku aktivnost povezanu sa zapreminom moždane materije, on je ključ za razumevanje kako njegov domaćin misli, oseća, kreće se, pamti, percipira i još mnogo toga.
Međutim, ne očekujte uskoro kompletan dijagram ožičenja za ljudski mozak, jer je to tehnički neizvodljivo: Lihtman ističe da bi zetabajti (zatabajte je milion petabajta) uključenih podataka bili ekvivalentan značajnom delu celokupnog svetskog raspoloživog i sačuvanog sadržaja danas. U stvari, jedina vrsta za koju još uvek postoji sveobuhvatan konektom je Caenorhabditis elegans, skromni okrugli crv.
Ipak, mnoštvo podataka o konektomima koje su naučnici prikupili od crva, muva, miševa i ljudi već imaju snažan efekat na neuronauku. I pošto su tehnike za mapiranje mozgova sve brže, Lihtman i drugi istraživači su uzbuđeni što konektomika velikih razmera – mapiranje i upoređivanje mozgova mnogih pojedinaca jedne vrste – konačno postaje stvarnost.
Biološke individue se obično toliko razlikuju na toliko načina da naučnici moraju da analiziraju mnoštvo pre nego što mogu da donesu zaključke. Konektomika velikih razmera mogla bi neuronauci dati istu vrstu ogromnog podsticaja koji je brzo, jednostavno sekvenciranje genoma donelo genomici.
Nedavni rad sa C. elegansom pokazao je moć konektomike velikih razmera. Jedan eksperiment je pokazao da je ponekad moguće da naučnici predvide ponašanje životinje na osnovu znanja o njenom konektomu; drugi je nagovestio pravila koja regulišu povezivanje neurona u radna kola. Ti uspesi, međutim, takođe naglašavaju koliko daleko konektomika velikih razmera još treba da ide pre nego što se uhvati u koštac sa mnogo složenijim stvorenjima. Istraživači su takođe oprezni u pogledu ugrađenih ograničenja onoga što nam konektomika može reći.
Uspesi konektomike mogu biti gorko-slatki. Dugi niz godina, centralna kritika konektomike je bila da je nedovoljno objasniti kako mozak funkcioniše. Uprkos tome što su decenijama imali mapu mozga C. elegansa, naučnici se i dalje bore da izvuku smislene zaključke o njegovim nervnim funkcijama. Za Lihtmana, raščlanjivanje naizgled neograničene međusobne povezanosti složenijih mozgova predstavlja izazov koji testira granice ljudske i veštačke inteligencije.
Još jedno ograničenje konektoma je to što nam ne govori ništa o kvalitetu veza: da li su jake ili slabe. To nam jednostavno govori da postoji veza. „Ako imate 20 veza između dva neurona, ali su sve izuzetno slabe“, rekao je Engert, „onda to morate da znate ako želite da znate kako informacije teku kroz mozak.“
Neuronaučnici često pretpostavljaju da ako neuron uspostavi vezu, to mora da tera neuron koji dodirne da uradi nešto. Ali nije svaka veza značajna, ističe Lihtman, jer neuroni prave hiljade veza sa drugim neuronima u ogromnim mrežama punim redundancije i puteva sa funkcijama koje se preklapaju. Zbog toga neko može doživeti moždani udar koji izbriše hiljade neurona i ne izgubi sećanje. „Postoji beskonačan broj načina na koje mozak može da radi stvari“, rekao je Lihtman. „I moja pretpostavka je, skoro u svakom slučaju, nervni sistem retko ide najjednostavnijim putem jer nije dizajniran da bude jednostavan.
Konektomika nam takođe ne govori skoro ništa o hemikalijama u mozgu zvanim neuromodulatori, koje cirkulišu kroz tečnost koja okružuje neurone, za razliku od hemikalija neurotransmitera koje se oslobađaju upravo unutar sinaptičkih veza između neurona. Oni predstavljaju još jedan način na koji ćelije u mozgu komuniciraju jedna sa drugom.
Mnoga neuronska kola menjaju svoje ponašanje u prisustvu neuromodulatora, rekao je Luis Šefer, neuronaučnik i računarski biolog u istraživačkom kampusu Janelia. On navodi primer stomatogastričnog ganglija, kola od samo tri neurona kod jastoga i rakova koji kontroliše ritmičke pokrete mišića u njihovom stomaku. Naučnici su identifikovali oko 20 neuromodulatora koji čine da ovaj ganglion menja svoj obrazac pokretanja, što otežava izvlačenje konkretnih zaključaka o tome koliko su motoričke funkcije definisane isključivo vezama između neurona. Šefer ovo neuronsko kolo naziva „poster dete“ zbog čega sam konektom ne može da objasni funkciju mozga.
Engert smatra da postoji široko rasprostranjeno slaganje da konektom neće biti dovoljan za razumevanje mozga. Ali dosadašnji uspesi mapa povezivanja mozga u objašnjavanju ponašanja okruglih crva i muva, rekao je, pokazuju da će konektom „sigurno biti od velike pomoći za informisanje funkcije, a možda čak i neophodan“.
