Wyobraź sobie ziarnko ryżu. Następnie przetnij je na pół albo nawet na cztery części. Gdybyś robił to precyzyjnymi narzędziami, miałbyś szansę uzyskać sześcian o boku długości jednego milimetra. 

Taki właśnie fragment ludzkiej tkanki mózgowej przebadali naukowcy z Harvarda. Następnie zaś, we współpracy ze specjalistami uczenia maszynowego z Google’a, odtworzyli jej zawartość. Zrobili to z niespotykaną dokładnością, sięgającą skali nano. Tak szczegółowego wglądu w nasz mózg nigdy jeszcze nie mieliśmy. 

Co znajduje się w milimetrze sześciennym mózgu każdego z nas? 57 tys. komórek, 23 cm naczyń krwionośnych i aż 150 milionów synaps. Autorzy pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie „Science” odtworzyli również cały system połączeń między komórkami. Opis tego niewielkiego wycinka tkanki mózgowej wymagał wygenerowania aż 1400 terabajtów danych. To tyle, ile ma 14 tys. pełnometrażowych filmów w rozdzielczości 4k.

Niezwykle trudne zadanie

Na czele zespołu z Harvarda stał Jeff Lichtman, profesor biologii molekularnej i komórkowej. – Naszym celem było uzyskanie szczegółowego obrazu najbardziej tajemniczego fragmentu biologii, który każdy nosi na ramionach – powiedział „Guardianowi” Lichtman. – Powód, dla którego nie zrobiliśmy tego wcześniej? Jest to cholernie trudne – przyznał. 

Próbka tkanki mózgowej pochodziła od 45-letniej pacjentki chorej na epilepsję i leczonej chirurgicznie. Wycinek jej mózgu został wpierw pokryty ciężkimi metalami, by podkreślić szczegóły. Później osadzono go w żywicy. Następnie naukowcy pocięli go na 5019 „wafelków”, każdy grubości około 34 nm. Czyli tysiąc razy cieńszych od ludzkiego włosa. 

Każdy z tak przygotowanych fragmentów trafił pod mikroskop elektronowy i został zeskanowany (wszystkie te obrazy to właśnie 1400 terabajtów danych). Potem wykorzystano specjalnie opracowane algorytmy, które przeanalizowały uzyskane zdjęcia. Z ich pomocą odtworzono budowę tkanki mózgowej aż do najdrobniejszych szczegółów.

Wycinek mózgu pobrano z płata skroniowego 45-letniej kobiety chorej na epilepsję / Fot. Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University)

Czego dowiedzieliśmy się o milimetrze sześciennym mózgu?

Analiza potwierdziła, że ludzki mózg jest narządem o niespotykanej złożoności i stopniu skomplikowania. Odkryto zupełnie nowe rzeczy. Okazało się na przykład, że w próbce stosunek komórek glejowych do neuronów wynosił dokładnie 2:1. Spośród komórek glejowych najliczniejsze były oligodendrocyty. To komórki, które odpowiadają za pokrywanie długich wypustek neuronów osłonkami mielinowymi, kluczowymi dla przesyłania sygnałów.

Niespodzianki dotyczyły też aksonów. To właśnie wspomniane wyżej długie wypustki neuronów. Marco Magrini, autor książki „Mózg. Przewodnik użytkownika” nazywa je „neuronowymi autostradami”. „Każdy neuron ma jeden akson, który niczym kabel transmisyjny, przenosi informację poza komórkę, w stronę innych neuronów” (tłum. Natalia Mędrak-Ruda) – pisze Magrini. Prędkość przepływu informacji jest zbliżona do szybkości samolotu odrzutowego. Może wynosić nawet 720 km na godzinę. 

Opisana w „Science” analiza wykazała, że niekiedy aksony układają się w nietypowe, bardzo ciasne zwoje. Dlaczego? Nie wiadomo. Naukowcy podejrzewają, że może mieć to związek z chorobą, na którą cierpiała dawczyni wycinka. Jednak może to być również nieznana jeszcze cecha aksonów, pojawiająca się w mózgu każdego z nas.

Wyuczone zachowania a połączenia między neuronami

Inną ciekawą rzecz przyniosło przyjrzenie się połączeniom między neuronami. W próbce aż 96 proc. aksonów miało tylko jedno połączenie z innym neuronem. 3 proc. dwa połączenia. Jednak w kilkunastu przypadkach tych połączeń było kilkadziesiąt. A w jednym – aż 50.

Zdaniem Lichtmana tak na poziomie komórkowym mogą „wyglądać” wyuczone zachowania. Po odpowiedniej liczbie ćwiczeń pewne rzeczy robimy odruchowo: np. wciskamy sprzęgło, zmieniając bieg. Tę automatyzację możemy zawdzięczać właśnie takim niezwykle silnym połączeniom między neuronami. Na które – nota bene – mamy wpływ poprzez uczenie się.

– Odkryliśmy wiele rzeczy, których nie ma w podręcznikach – podsumowuje Lichtman. - Sugerują istnienie przepaści między tym, co już wiemy, a tym, co powinniśmy wiedzieć. 

Analiza jest zwieńczeniem dziesięcioletniego projektu Harvarda i Google’a. Ostatecznym celem badaczy jest zmapowanie ludzkiego mózgu. Wcześniej jednak naukowcy mają w planach krok pośredni – cyfrową rekonstrukcję mózgu myszy.

Źródła: Phys.org, Science, Guardian, ScienceAlert.