İnsan beyni, yaklaşık 100 milyar nörondan çıkan, her biri sinaps adı verilen trilyonlarca bağlantı noktası üzerinden iletişim kuran tellerden oluşan karmaşık bir otoyoldur. Bilim'lı sinir bilimci Jeff Lichtman buna “Bunaltıcı derecede karmaşık” diyor. Lichtman, bu otoyolu anlamanın tek yolunun bir harita oluşturmak olduğunu söylüyor.
Jeremy R. Knowles Moleküler ve Hücresel Biyoloji Profesörü Lichtman, bu tür haritalar oluşturmak için onlarca yıl harcadı ve bunu yaparak “konnektomik” olarak bilinen bir alana öncülük etti. Nihai hedefi, “konnektom” olarak adlandırılan, her sinir bağlantısını hesaba katan tüm memelilerin beyin haritasını çıkarmaktır.
Şimdi, Lichtman ve meslektaşları, bir fare beyninden sinaps düzeyindeki konnektom verilerini benzeri görülmemiş bir netlik ve çözünürlükte yakalamaya çalışarak bu yolculuğun kritik yeni bir adımına atılıyor.
Lichtman ve aralarında Princeton Üniversitesi, MIT, Cambridge Üniversitesi ve Johns Hopkins'in de bulunduğu ortaklar, ilk kez bir beyindeki tüm sinirsel kabloları yeniden yapılandırmak amacıyla Ulusal Sağlık Enstitüleri'nden 30 milyon dolar, Bilim ve Princeton'dan ise ek 3 milyon dolar aldı. fare beyni. Farenin hipokampal oluşumunda 10 milimetreküplük bir bölgeyi (beynin hafıza birleştirme, mekansal yön bulma ve diğer karmaşık görevlerden sorumlu kısmı) ilk kez görüntüleyerek mümkün olan başarıyı kanıtlayacaklar.
İnsan Genomu Projesi'nin her insan genini ve benzersiz DNA dizisini katalogladığı gibi, 2004'te Bilim'a geldiğinden beri üzerinde çalıştığı Lichtman'ın konnektomu da beyindeki her sinir bağlantısının kapsamlı bir diyagramı olacaktır.
Solucandan insana beyin hacminin karşılaştırılması
Her 1000 mikron küp beyin hacmi şematik olarak 1 cm2 ile temsil edilir. doğrusal mesafe.
Kaynak: “Farenin Zihni,” Hücre; Jeff W. Lichtman ve Viren Jain
İnsan beyninin bir konektomunun oluşturulması, otizmden şizofreniye kadar beyindeki bozuklukların teşhis ve tedavisinde yeni yaklaşımlara yol açabilir. Bilim insanları bu hastalıkların şu anda mevcut hiçbir beyin taramasının tespit edemediği “bağlantı hastalıkları”, yani ince yanlış bağlantılar olduğundan şüpheleniyor.
Bilim Beyin Bilimi Merkezi'nin bir üyesi olan Lichtman, “Connectomics tek yoldur” dedi. “Fare beyninin tamamının rutin hale geldiği bir noktaya gelirsek, bunu örneğin otizmli hayvan modellerinde yapmayı düşünebilirsiniz. Beyinler hakkında şu anda mevcut olmayan bir anlayış seviyesi var. Davranışın dışsal tezahürlerini biliyoruz. Bozulan bazı molekülleri biliyoruz. Ancak şu ana kadar kablo şemalarının arasında onları görmenin bir yolu yoktu. Artık bir yol var.”
Ulusal Sağlık Enstitüleri, Eylül ayının başında fon sağlayan Gelişmiş Yenilikçi Nöroteknolojiler® Girişimi veya BRAIN Girişimi Yoluyla Beyin Araştırması fonunun yeni alıcılarını ödüllendirdi. Bilim ekibi, tüm beynin bağlantı şemalarını oluşturmak için araştırma kapasitesi ve teknik yetenekleri geliştirmeyi amaçlayan BRAIN Initiative Connectivity Across Scales ağı aracılığıyla finanse ediliyor.
“Bunaltıcı derecede karmaşık” insan beynini anlamanın tek yolunun bir harita oluşturmak olduğunu söylüyor, onlarca yıldır “konnektemik” alanında öncü çalışmalara imza atan Jeff Lichtman.
Kris Snibbe/Bilim Personel Fotoğrafçısı
BRAIN Girişimi direktörü John Ngai, “Mevcut teknikler, bu inanılmaz organın gizemlerini çözmek için gerekli olan tüm beynin geniş bölgelerini ölçeklendirme ve haritalandırma konusunda çözünürlük veya yetenekten yoksundur” dedi. “Yıllarca süren dikkatli planlama ve bilimsel topluluktan gelen girdilerin ardından, üçüncü, büyük ölçekli dönüştürücü projemizi temsil eden BRAIN CONNECTS, benzeri görülmemiş düzeyde ayrıntı ve ölçekte beyin çapında bağlantı haritaları elde etmek için gereken araçları geliştirmeyi amaçlıyor.”
Fare beyni elbette insanınkinden çok daha küçüktür, ancak tek tek nöronlara, sinaptik keseciklere ve glial hücrelere baktığınızda “farkı anlayamazsınız” dedi Lichtman. “Hücreler ve sinapslar düzeyinde, tüm memeli beyinleri temelde aynıdır.”
Bilgisayar ve veri işleme alanındaki son gelişmeler ve Lichtman ve diğerlerinin (moleküler ve hücre biyolojisi alanında Profesör Florian Engert dahil) zebra balığı ve meyve sineklerinin beyinleri üzerine yaptığı önceki çalışmalar göz önüne alındığında, bir fare beyni haritası elde etmek daha mümkün hale geldi ve bir fare beyni haritası elde etmek daha mümkün hale geldi. insan beyninin görüntülenmesi için erken kanıtlayıcı bir zemin. Lichtman ve meslektaşları, 2020'de yayınlanan “Farenin Zihni” başlıklı görüş yazısında, fare beyni konektomunun yüce hedefine yönelik ortak çabalar çağrısında bulundu.
Araştırmacılar, hedeflerine ulaşmak için Lichtman ve meslektaşlarının onlarca yıldır icat ettiği biyolojik görüntüleme tekniklerini uygulayacaklar. NIH projesi için iki kademeli bir sistem kullanacaklar. İlk olarak, biri Bilim'da ve diğeri Princeton'da olmak üzere iki adet 91 ışınlı taramalı elektron mikroskobu, fare hipokampal oluşumunun ince kesitlerinin görüntülerini yakalayacak. Daha sonra her bölümün yüzeyi, bir seferde yalnızca birkaç nanometrelik bir iyon ışınıyla kazınacak ve görüntüleme işlemi, tüm hacim görüntülenene kadar tekrarlanacak. Google Araştırma'daki bir ekip, ortaya çıkan bağlantı şemasını makine öğrenimi ile hesaplamalı olarak çıkaracak.
Ekip, 10 milimetrekarelik fare beyni bölümü için yaklaşık 10.000 terabayt veri üretmeyi bekliyor; Bir fare beyninin tamamı için bunun 50 katı veri üretilecek. Ekip, beş yıllık projesinin ilk yarısında günde 50 terabayta kadar veri üretmeyi bekliyor.
Lichtman'ın ekibi son birkaç yıldır büyük miktarda veriyi hızlı bir şekilde anlamlandırmalarına olanak tanıyan görüntü işleme teknikleri üzerinde Google ile birlikte çalıştı. Grant ortak araştırmacısı Viren Jain liderliğindeki mühendisler, sinir hücrelerini ve sinapsları kategorize etmek ve renk kodlaması yapmak için bu beyin görüntülerine yapay zeka algoritmaları uygulayacak. Google ayrıca bu devasa beyin haritasının kamuya açık olarak paylaşılmasına da yardımcı olacak.
Google'dan Jain, “Fare konektomiklerini benzeri görülmemiş bir ölçekte mümkün kılmak için, büyük ölçekli elektron mikroskobu verilerinin hesaplamalı yeniden yapılandırılması ve analizi konusundaki deneyimimizi Google'ın yüksek düzeyde ölçeklenebilir veri işleme altyapısıyla birlikte kullanmayı planlıyoruz” dedi. “Jeff'in laboratuvarıyla beş yılı aşkın bir süredir yakın işbirliği içinde çalışıyoruz ve bu işbirliği, veri yoğunluklu sinirbilimin sınırlarını zorlamada son derece başarılı oldu.”
Araştırma, NIH BRAIN Initiative tarafından 1UM1NS132250-01 ödül numarasıyla desteklenmektedir. Lichtman, Fizik Profesörü Aravinthan DT Samuel liderliğindeki NIH tarafından verilen ve konektomik için hızlı görüntüleme stratejisi geliştirmeyi amaçlayan başka bir BRAIN CONNECTS bursuyla ilgileniyor. Daha fazla bilgi diğer ödül alanlar hakkında.
Jeremy R. Knowles Moleküler ve Hücresel Biyoloji Profesörü Lichtman, bu tür haritalar oluşturmak için onlarca yıl harcadı ve bunu yaparak “konnektomik” olarak bilinen bir alana öncülük etti. Nihai hedefi, “konnektom” olarak adlandırılan, her sinir bağlantısını hesaba katan tüm memelilerin beyin haritasını çıkarmaktır.
Şimdi, Lichtman ve meslektaşları, bir fare beyninden sinaps düzeyindeki konnektom verilerini benzeri görülmemiş bir netlik ve çözünürlükte yakalamaya çalışarak bu yolculuğun kritik yeni bir adımına atılıyor.
Lichtman ve aralarında Princeton Üniversitesi, MIT, Cambridge Üniversitesi ve Johns Hopkins'in de bulunduğu ortaklar, ilk kez bir beyindeki tüm sinirsel kabloları yeniden yapılandırmak amacıyla Ulusal Sağlık Enstitüleri'nden 30 milyon dolar, Bilim ve Princeton'dan ise ek 3 milyon dolar aldı. fare beyni. Farenin hipokampal oluşumunda 10 milimetreküplük bir bölgeyi (beynin hafıza birleştirme, mekansal yön bulma ve diğer karmaşık görevlerden sorumlu kısmı) ilk kez görüntüleyerek mümkün olan başarıyı kanıtlayacaklar.
İnsan Genomu Projesi'nin her insan genini ve benzersiz DNA dizisini katalogladığı gibi, 2004'te Bilim'a geldiğinden beri üzerinde çalıştığı Lichtman'ın konnektomu da beyindeki her sinir bağlantısının kapsamlı bir diyagramı olacaktır.
Solucandan insana beyin hacminin karşılaştırılması
Her 1000 mikron küp beyin hacmi şematik olarak 1 cm2 ile temsil edilir. doğrusal mesafe.
Kaynak: “Farenin Zihni,” Hücre; Jeff W. Lichtman ve Viren Jain
İnsan beyninin bir konektomunun oluşturulması, otizmden şizofreniye kadar beyindeki bozuklukların teşhis ve tedavisinde yeni yaklaşımlara yol açabilir. Bilim insanları bu hastalıkların şu anda mevcut hiçbir beyin taramasının tespit edemediği “bağlantı hastalıkları”, yani ince yanlış bağlantılar olduğundan şüpheleniyor.
Bilim Beyin Bilimi Merkezi'nin bir üyesi olan Lichtman, “Connectomics tek yoldur” dedi. “Fare beyninin tamamının rutin hale geldiği bir noktaya gelirsek, bunu örneğin otizmli hayvan modellerinde yapmayı düşünebilirsiniz. Beyinler hakkında şu anda mevcut olmayan bir anlayış seviyesi var. Davranışın dışsal tezahürlerini biliyoruz. Bozulan bazı molekülleri biliyoruz. Ancak şu ana kadar kablo şemalarının arasında onları görmenin bir yolu yoktu. Artık bir yol var.”
Ulusal Sağlık Enstitüleri, Eylül ayının başında fon sağlayan Gelişmiş Yenilikçi Nöroteknolojiler® Girişimi veya BRAIN Girişimi Yoluyla Beyin Araştırması fonunun yeni alıcılarını ödüllendirdi. Bilim ekibi, tüm beynin bağlantı şemalarını oluşturmak için araştırma kapasitesi ve teknik yetenekleri geliştirmeyi amaçlayan BRAIN Initiative Connectivity Across Scales ağı aracılığıyla finanse ediliyor.
“Bunaltıcı derecede karmaşık” insan beynini anlamanın tek yolunun bir harita oluşturmak olduğunu söylüyor, onlarca yıldır “konnektemik” alanında öncü çalışmalara imza atan Jeff Lichtman.
Kris Snibbe/Bilim Personel Fotoğrafçısı
BRAIN Girişimi direktörü John Ngai, “Mevcut teknikler, bu inanılmaz organın gizemlerini çözmek için gerekli olan tüm beynin geniş bölgelerini ölçeklendirme ve haritalandırma konusunda çözünürlük veya yetenekten yoksundur” dedi. “Yıllarca süren dikkatli planlama ve bilimsel topluluktan gelen girdilerin ardından, üçüncü, büyük ölçekli dönüştürücü projemizi temsil eden BRAIN CONNECTS, benzeri görülmemiş düzeyde ayrıntı ve ölçekte beyin çapında bağlantı haritaları elde etmek için gereken araçları geliştirmeyi amaçlıyor.”
Fare beyni elbette insanınkinden çok daha küçüktür, ancak tek tek nöronlara, sinaptik keseciklere ve glial hücrelere baktığınızda “farkı anlayamazsınız” dedi Lichtman. “Hücreler ve sinapslar düzeyinde, tüm memeli beyinleri temelde aynıdır.”
Bilgisayar ve veri işleme alanındaki son gelişmeler ve Lichtman ve diğerlerinin (moleküler ve hücre biyolojisi alanında Profesör Florian Engert dahil) zebra balığı ve meyve sineklerinin beyinleri üzerine yaptığı önceki çalışmalar göz önüne alındığında, bir fare beyni haritası elde etmek daha mümkün hale geldi ve bir fare beyni haritası elde etmek daha mümkün hale geldi. insan beyninin görüntülenmesi için erken kanıtlayıcı bir zemin. Lichtman ve meslektaşları, 2020'de yayınlanan “Farenin Zihni” başlıklı görüş yazısında, fare beyni konektomunun yüce hedefine yönelik ortak çabalar çağrısında bulundu.
Araştırmacılar, hedeflerine ulaşmak için Lichtman ve meslektaşlarının onlarca yıldır icat ettiği biyolojik görüntüleme tekniklerini uygulayacaklar. NIH projesi için iki kademeli bir sistem kullanacaklar. İlk olarak, biri Bilim'da ve diğeri Princeton'da olmak üzere iki adet 91 ışınlı taramalı elektron mikroskobu, fare hipokampal oluşumunun ince kesitlerinin görüntülerini yakalayacak. Daha sonra her bölümün yüzeyi, bir seferde yalnızca birkaç nanometrelik bir iyon ışınıyla kazınacak ve görüntüleme işlemi, tüm hacim görüntülenene kadar tekrarlanacak. Google Araştırma'daki bir ekip, ortaya çıkan bağlantı şemasını makine öğrenimi ile hesaplamalı olarak çıkaracak.
Ekip, 10 milimetrekarelik fare beyni bölümü için yaklaşık 10.000 terabayt veri üretmeyi bekliyor; Bir fare beyninin tamamı için bunun 50 katı veri üretilecek. Ekip, beş yıllık projesinin ilk yarısında günde 50 terabayta kadar veri üretmeyi bekliyor.
Lichtman'ın ekibi son birkaç yıldır büyük miktarda veriyi hızlı bir şekilde anlamlandırmalarına olanak tanıyan görüntü işleme teknikleri üzerinde Google ile birlikte çalıştı. Grant ortak araştırmacısı Viren Jain liderliğindeki mühendisler, sinir hücrelerini ve sinapsları kategorize etmek ve renk kodlaması yapmak için bu beyin görüntülerine yapay zeka algoritmaları uygulayacak. Google ayrıca bu devasa beyin haritasının kamuya açık olarak paylaşılmasına da yardımcı olacak.
Google'dan Jain, “Fare konektomiklerini benzeri görülmemiş bir ölçekte mümkün kılmak için, büyük ölçekli elektron mikroskobu verilerinin hesaplamalı yeniden yapılandırılması ve analizi konusundaki deneyimimizi Google'ın yüksek düzeyde ölçeklenebilir veri işleme altyapısıyla birlikte kullanmayı planlıyoruz” dedi. “Jeff'in laboratuvarıyla beş yılı aşkın bir süredir yakın işbirliği içinde çalışıyoruz ve bu işbirliği, veri yoğunluklu sinirbilimin sınırlarını zorlamada son derece başarılı oldu.”
Araştırma, NIH BRAIN Initiative tarafından 1UM1NS132250-01 ödül numarasıyla desteklenmektedir. Lichtman, Fizik Profesörü Aravinthan DT Samuel liderliğindeki NIH tarafından verilen ve konektomik için hızlı görüntüleme stratejisi geliştirmeyi amaçlayan başka bir BRAIN CONNECTS bursuyla ilgileniyor. Daha fazla bilgi diğer ödül alanlar hakkında.