Loodud on suurim 3D-rekonstruktsioon inimese aju fragmendist

Üks kuupmillimeeter ajukude ei pruugi tunduda suure summana. Aga kui arvestada, et see väike ruut sisaldab 57 000 rakku, 230 millimeetrit veresooni ja 150 miljonit sünapsi, kokku 1400 terabaiti andmeid, on Harvardi ja Google'i teadlased teinud tohutuid edusamme.

Harvardi meeskond, mida juhib Jeff Lichtman, molekulaar- ja rakubioloogia professor ja äsja loodusteaduskonna dekaaniks nimetatud Jeremy R. Knowlesi nimeline molekulaar- ja rakubioloogia professor ning Google'i teadlased, on loonud seni suurima sünaptilise taseme inimaju 3D-rekonstruktsiooni, mis näitab elavalt detailselt iga rakku ja selle närviühenduste võrgustikku inimese oimusaju umbes poole riisitera suuruses osas.

Ajakirjas Science avaldatud saavutus on viimane peaaegu kümme aastat kestnud koostöös Google Researchi teadlastega, mis ühendab Lichtmani elektronmikroskoopia tehisintellekti algoritmidega imetajate ülimalt keerukate närviühenduste värvikoodide loomiseks ja rekonstrueerimiseks. Artikli kolm esimest kaasautorit on endine Harvardi järeldoktor Alexander Shapson-Ko, Google Researchi Michal Januszewski ja Harvardi järeldoktor Daniel Berger.

Koostöö lõppeesmärk, mida toetab Riiklike Tervishoiuinstituutide BRAIN algatus, on luua kogu hiire aju neuraalse ühenduvuse kõrge eraldusvõimega kaart, mis nõuaks umbes 1000 korda rohkem andmeid, kui nad said lihtsalt ühest kuupmillimeetrist inimese ajukoorest.

Sõna „fragment” on irooniline. Terabait on enamiku inimeste jaoks tohutu kogus, aga inimaju fragment – kõigest imeväike osa inimajust – on ikkagi tuhandeid terabaite.

Jeff Lichtman, Jeremy R. Knowlesi molekulaar- ja rakubioloogia professor

Science'i ajakirja uusim kaart sisaldab aju struktuuri üksikasju, mida pole varem nähtud, sealhulgas hõredat, kuid võimsat aksonite võrgustikku, mis on ühendatud kuni 50 sünapsi abil. Meeskond märkis ka mõningaid koe iseärasusi, näiteks väikest arvu aksoneid, mis moodustavad ulatuslikke spiraale. Kuna nende proov võeti epilepsiaga patsiendilt, pole nad kindlad, kas sellised ebatavalised moodustised on patoloogilised või lihtsalt haruldased.

Lichtmani uurimisvaldkond on "konnektoomika", mis sarnaselt genoomikaga püüab luua täielikke aju struktuuri katalooge kuni üksikute rakkude ja ühendusteni välja. Sellised täielikud kaardid valgustavad teed uute arusaamadeni ajufunktsioonidest ja haigustest, mille kohta teadlased teavad veel väga vähe.

Google'i tipptasemel tehisintellekti algoritmid suudavad ajukoe kolmemõõtmeliselt rekonstrueerida ja kaardistada. Meeskond on välja töötanud ka avalikult kättesaadavate tööriistade komplekti, mida teadlased saavad kasutada konnektoomi uurimiseks ja annoteerimiseks.

„Arvestades sellesse projekti tehtud tohutut investeeringut, oli oluline esitleda tulemusi viisil, mis võimaldaks kellelgi teisel neist nüüd kasu saada,“ ütles Google'i teadur Viren Jain.

Järgmisena sihib meeskond hiire hipokampuse piirkonda, mis on neuroteaduse jaoks oluline oma rolli tõttu mälus ja neuroloogilistes haigustes.