การทำแผนที่การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์สมองอาจพิสูจน์ได้ว่าการปฏิวัติเป็นแผนที่จีโนมของมนุษย์ แต่การติดตามการเชื่อมต่อ synaptic แต่ละครั้งระหว่างเซลล์ประสาท - โดยหลักความพยายามด้วยตนเองจนถึงตอนนี้ - ได้พิสูจน์แล้วว่าช้าอย่างระมัดระวัง ในการเข้าใกล้การทำแผนที่อย่างละเอียดนักวิจัยจะต้องพัฒนากระบวนการคอมพิวเตอร์โดยอัตโนมัติ
แม้แต่ "ไดอะแกรมการเดินสาย" ที่ค่อนข้างง่ายสำหรับตัวเล็กC. elegansหนอนใช้เวลามากกว่าหนึ่งโหลในการดำเนินการให้เสร็จสมบูรณ์และเกี่ยวข้องกับเซลล์ประสาทเพียง 302 เซลล์ สมองของมนุษย์นำเสนอความท้าทายที่ยิ่งใหญ่กว่าด้วยเซลล์ประสาทประมาณ 100 พันล้านเซลล์และหลายสิบล้านล้านของ synapses ซึ่งเป็นตัวแทนของการเดินสายหลายล้านไมล์ระหว่างเซลล์ประสาท (ข้อมูลในสมองเดินทางจากเซลล์ประสาทหนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งข้าม synapse)
“ ในเยื่อหุ้มสมองสมองเชื่อว่าเซลล์ประสาทหนึ่งตัวเชื่อมต่อกับคนอื่น ๆ 10,000 คน” เซบาสเตียนซึงนักประสาทวิทยาเชิงคำนวณที่ MIT กล่าว
ตอนนี้ซึงกำลังมุ่งมั่นที่จะทำงานร่วมกันเพื่อเร่งการทำแผนที่ของไดอะแกรมการเดินสายที่รู้จักกันในชื่อ Connectomes เขาและนักวิจัยคนอื่น ๆ ต้องการฝึกคอมพิวเตอร์เพื่อเลียนแบบการติดตามของมนุษย์เพื่อให้คอมพิวเตอร์สามารถสร้างอัลกอริทึมการติดตามเซลล์ประสาทของตัวเองในที่สุดและจัดการกับภาพของการเดินสายเซลล์ประสาทไม่ว่าจะยุ่งเหยิงหรือซับซ้อนเพียงใด
การไม่หยุดสายไฟ
ความท้าทายหลักเกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจำนวนมากของชิ้นสมองและติดตามการเชื่อมต่อที่พันกันซึ่งสามารถขยายได้ถึงหลายนิ้วระหว่างเซลล์ประสาท
ทีมนักประสาทวิทยาคนหนึ่งที่ Max Planck Institute เพื่อการวิจัยทางการแพทย์ในไฮเดลเบิร์กประเทศเยอรมนีต้องการติดตามการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทในเรตินาหรือเนื้อเยื่อที่ไวต่อแสงที่ด้านหลังตา แต่มากถึง 10 คนจะต้องติดตามแต่ละเซลล์ประสาทเพื่อจับข้อผิดพลาดจากทีมหลายโหล
วิธีการด้วยตนเองนั้นจะใช้เวลาหลายหมื่นปีทำงานเพื่อให้การเชื่อมต่อกับสมองเพียงหนึ่งลูกบาศก์มิลลิเมตร ภายใต้ซึง
กลุ่มอื่นมีการจัดการเพื่อติดตามการเดินสายเซลล์ประสาทที่เชื่อมต่อสมองของหนูกับกล้ามเนื้อเล็ก ๆ สองตัวที่ควบคุมหูหนู ที่เกี่ยวข้องกับการทำแผนที่การเชื่อมต่อจากเซลล์ประสาทเพียง 15 เซลล์ที่แตกแขนงออกไปถึงเซลล์กล้ามเนื้อเป้าหมาย 200 เซลล์ แต่ยังคงเกี่ยวข้องกับ "การท่องเที่ยวทางเทคนิคเพื่อให้สายไฟทั้งหมดจัดเรียง" ตามที่เจฟฟ์ลิชต์แมนนักประสาทวิทยาที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในบอสตัน
“ แม้ว่ามันจะเป็นการออกกำลังกายที่ไม่สำคัญมาก แต่ก็แสดงให้เราเห็นสิ่งที่น่าทึ่งและเป็นปัญหาที่อาจเกิดขึ้น” Lichtman กล่าวLiveScience-
ความสำเร็จของ Lichtman เผยให้เห็นถึงความเป็นจริงที่น่ากลัว - ไม่มีแผนภาพการเดินสายเดียวที่มองหาสัตว์ชนิดเดียวกัน ไดอะแกรมการเดินสายสำหรับกล้ามเนื้อหูซ้ายและขวาของสัตว์ตัวเดียวกันก็ดูแตกต่างกันแม้ว่ากล้ามเนื้อจะมีจุดประสงค์เหมือนกัน แม้แต่การเปรียบเทียบโดยตรงของเซลล์ประสาทขนานที่ด้านซ้ายและขวาก็แสดงให้เห็นถึงรูปแบบการเชื่อมต่อที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง
แผนที่สมองสามารถบอกเราได้อย่างไร
นักวิจัยได้เริ่มต้นด้วยการเชื่อมต่อการทำแผนที่ระหว่างเรติน่าและกล้ามเนื้อเพราะพวกเขาเป็นตัวแทนของความท้าทายที่เรียบง่ายเมื่อเทียบกับสมอง พวกเขายังรู้จุดประสงค์ที่แน่นอนของเซลล์ประสาทและการเชื่อมต่อของพวกเขาในกรณีเหล่านั้น
“ สิ่งเหล่านี้ค่อนข้างเข้าใจง่ายกว่าถ้าคุณเลือกสถานที่บางแห่งในสมองที่คุณไม่รู้ว่าการเชื่อมต่อมาจากไหนหรือไปที่ไหนหรือพวกเขากำลังทำอะไรอยู่” Lichtman กล่าว
นักประสาทวิทยายังคงผลักดันขอบเขตของความเข้าใจต่อไปโดยไม่ต้องมีแผนภาพการเดินสายเต็มรูปแบบของสมองมนุษย์หรือสัตว์และระบบประสาท แต่ Lichtman เปรียบเทียบมีการเชื่อมต่อกับจีโนมมนุษย์ที่แมปออกมา - ชุดข้อมูลที่หลากหลายที่นักวิทยาศาสตร์สามารถขุดได้สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม
การมีแผนภาพการเดินสายของสมองมนุษย์ในที่สุดอาจช่วยตอบพื้นฐานบางอย่างคำถามเกี่ยวกับประสาทวิทยาศาสตร์เช่นวิธีการจัดระเบียบข้อมูลในใจ นักประสาทวิทยาอาจได้รับความรู้สึกที่ดีขึ้นว่าการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาทเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปเมื่อผู้คนอายุมากขึ้น
“ ในที่ที่ความทรงจำของคุณยายของคุณถูกเก็บไว้และในรูปแบบที่จัดเก็บไว้นั้นเกือบจะเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อเซลล์สมองอย่างแน่นอน” Lichtman กล่าว
หั่นเพื่อวิทยาศาสตร์
สถาบันสุขภาพแห่งชาติได้เปิดตัวโครงการเชื่อมต่อมนุษย์เป็นเวลาห้าปี $ 30 ล้านซึ่งเริ่มต้นง่ายๆโดยมีเป้าหมายที่จะติดตามการเชื่อมต่อระดับสูงระหว่างภูมิภาคสมองมากกว่าการเชื่อมต่อทุกครั้ง ห้องแล็บเพียงไม่กี่แห่งทั่วโลกก็เริ่มทำโครงการเชื่อมต่อของตัวเองด้วย
นั่นอาจเปลี่ยนแปลงได้หากซึงและเพื่อนร่วมงานของเขาสามารถเร่งการทำแผนที่ด้วยอัตโนมัติได้อย่างแท้จริงการเรียนรู้คอมพิวเตอร์-
“ เราจะสามารถทดสอบทฤษฎี - ย้อนหลังไปถึงศตวรรษที่ 19 - ความทรงจำนั้นเขียนขึ้นใน Connectomes” ซึงอธิบาย "เราอาจสามารถค้นหา connectopathies หรือ miswirings ของสมองที่ทำให้เกิดความผิดปกติทางจิต"
Lichtman's Harvard Lab ได้ทำงานร่วมกับกลุ่ม MIT ของซึงในการใช้เทคโนโลยีใหม่กับงาน นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการหั่นสมองทินเนอร์มาก่อนแล้วดังนั้นกล้องจุลทรรศน์อัตโนมัติสามารถจับภาพของการเดินสายของเซลล์ประสาทด้วยความละเอียดสูงอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน
“ ทุกประเด็นทางเทคโนโลยีเหล่านี้เป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับนักชีววิทยาที่รู้สึกสบายใจกับสิ่งที่นุ่มนวล” Lichtman กล่าว
