Ένα κυβικό χιλιοστό ανθρώπινου εγκεφάλου. Human brain map contains never-before-seen details of structure

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα, οι ερευνητές ανακάλυψαν προηγουμένως υποτιμημένες πτυχές του κροταφικού φλοιού, μεταξύ των οποίων μεγάλο αριθμό νευρογλοιακών κυττάρων πάνω από τους νευρώνες, αλλά και ένα σπάνιο, αλλά ισχυρό σύνολο αξόνων που συνδέονται με έως και 50 συνάψεις. Η χαρτογράφηση θα ανοίξει το δρόμο προς νέες γνώσεις για τη λειτουργία και τις ασθένειες του εγκεφάλου για τις οποίες οι επιστήμονες γνωρίζουν ακόμη πολύ λίγα. Η εικόνα δείχνει όλους τους διεγερτικούς (πυραμιδικούς) νευρώνες, χρωματισμένους κατά μέγεθος, από ένα τμήμα του δείγματος του εγκεφάλου. Το κυτταρικό σώμα (κεντρικός πυρήνας) των κυττάρων κυμαίνεται μεταξύ 15 και 30 μικρομέτρων σε διάμετρο. This rendering shows all of the excitatory (pyramidal) neurons in a part of the brain sample, at varying degrees of magnification and tilt. They are colored by size; the cell body (central core) of the cells ranges from 15-30 micrometers across. Credit: Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University)

Ερευνητές του Χάρβαρντ και της Google δημιούργησαν τη μεγαλύτερη τρισδιάστατη ανακατασκευή τμήματος εγκεφάλου. Η χαρτογράφηση θα ανοίξει το δρόμο προς νέες γνώσεις για τη λειτουργία και τις ασθένειες του εγκεφάλου για τις οποίες οι επιστήμονες γνωρίζουν ακόμη πολύ λίγα.

Στην εικόνα αποτυπώνονται διεγερτικοί νευρώνες χρωματισμένοι ανάλογα με το βάθος τους από την επιφάνεια του εγκεφάλου. Οι μπλε νευρώνες βρίσκονται πιο κοντά στην επιφάνεια και οι φούξια σηματοδοτούν το πιο εσωτερικό στρώμα. A research team led by Jeff Lichtman, a neuroscientist at Harvard University, has published a 3D map of brain samples sliced to a thickness of 34 nanometers and constructed using an electron microscope. At the time of writing, the 3D map covers one cubic millimeter of the brain, and the data size is a whopping 1.4 petabytes (1,400 terabytes). Six layers of excitatory neurons color-coded by depth. Credit: Google Research and Lichtman Lab

Τη μεγαλύτερη μέχρι σήμερα τρισδιάστατη ανακατασκευή τμήματος του ανθρώπινου εγκεφάλου που δείχνει με μεγάλη λεπτομέρεια κάθε κύτταρο και πλέγμα των νευρωνικών συνδέσεων, δημιούργησαν ερευνητές του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ και της Google Research. Το επίτευγμά τους περιγράφεται σε δημοσίευση στο περιοδικό «Science».

Another oddity was the appearance of “axon whorls”, which are beautiful but mysterious structures in which an axon wraps itself into complicated knots. These were rare in the sample and sometimes occurred on the surface of another cell. Similarly, we do not know what these do. Axons (blue) are the filamentous part of a nerve cell that carries a signal away from the cell. Researchers found never-before-seen “axon whorls” in the sample, sometimes on the surface of another nerve cell (yellow). Credit: Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University).

Η ανακατασκευή αφορά ένα κυβικό χιλιοστό εγκεφαλικού ιστού από τον κροταφικό φλοιό, που ωστόσο περιέχει περίπου 57.000 κύτταρα, 230 χιλιοστά αιμοφόρων αγγείων και σχεδόν 150 εκατομμύρια συνάψεις. Το δείγμα ελήφθη από έναν ασθενή με επιληψία, ο οποίος υποβλήθηκε σε χειρουργική επέμβαση.

Ένας μόνος νευρώνας (λευκός) που εμφανίζεται με 5.600 από τους άξονες (μπλε) που συνδέονται με αυτόν. Οι συνάψεις που κάνουν αυτές τις συνδέσεις εμφανίζονται με πράσινο χρώμα. Το κυτταρικό σώμα (κεντρικός πυρήνας) του νευρώνα έχει διάμετρο περίπου 14 μικρόμετρα. A single neuron (white) shown with 5,600 of the axons (blue) that connect to it. The synapses that make these connections are shown in green. The cell body (central core) of the neuron is about 14 micrometers across. Credit: Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University)

Researchers built a 3D image of nearly every neuron and its connections within a small piece of human brain tissue. Blue neurons are inhibitory neurons. Red, orange, yellow, and green are excitatory neurons colored by size (red is largest, green is smallest) ranging from 15-30 micrometers across at their cores. The sample is approximately 3 mm long. Credit: Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University)

Η ανακατασκευή προέκυψε από τη σχεδόν δεκαετή συνεργασία του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, με επικεφαλής τον Τζεφ Λίχτμαν, καθηγητή Μοριακής και Κυτταρικής Βιολογίας και νεοδιορισθέντα κοσμήτορα της Επιστήμης, με επιστήμονες της Google Research. Απώτερος στόχος της συνεργασίας, που υποστηρίζεται από την Πρωτοβουλία BRAIN, την οποία έχουν αναπτύξει τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ, είναι να δημιουργηθεί μια χαρτογράφηση υψηλής ανάλυσης των νευρώνων του εγκεφάλου ενός ποντικιού, κάτι που υπολογίζεται ότι θα απαιτούσε περίπου 1.000 φορές μεγαλύτερο όγκο δεδομένων από αυτόν που μόλις παρήγαν από το τμήμα του ανθρώπινου φλοιού.

A map of the entire human brain could help us understand where diseases come from, to how we store memories. But mapping the brain with today’s technology would take billions of dollars and hundreds of years. Learn what GR has already revealed about the brain, and how it's making it easier for scientists to—someday—reach this goal. Credit: Google Research Channel → https://goo.gle/GoogleResearch

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα, οι συγγραφείς ανακάλυψαν προηγουμένως υποτιμημένες πτυχές του κροταφικού φλοιού, μεταξύ των οποίων μεγάλο αριθμό νευρογλοιακών κυττάρων πάνω από τους νευρώνες, αλλά και ένα σπάνιο, αλλά ισχυρό σύνολο αξόνων που συνδέονται με έως και 50 συνάψεις. Η χαρτογράφηση θα ανοίξει το δρόμο προς νέες γνώσεις για τη λειτουργία και τις ασθένειες του εγκεφάλου για τις οποίες οι επιστήμονες γνωρίζουν ακόμη πολύ λίγα.

Πηγές: Shapson-Coe A, Januszewski M, Berger DR, et al. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution. Science. 2024;384(6696):eadk4858. doi: 10.1126/science.adk4858 - https://research.google/blog/ten-years-of-neuroscience-at-google-yields-maps-of-human-brain/ - https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v2.full - https://www.technologynetworks.com/neuroscience/news/map-of-neural-connections-produced-in-a-fragment-of-the-human-brain-386621 - https://medicalxpress.com/news/2024-05-human-brain.html - https://physicsgg.me/2024/05/10/