สมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเป็นเครือข่ายที่ซับซ้อนของเซลล์พันล้านเซลล์ที่เชื่อมต่อผ่านโหนดล้านล้านที่นักประสาทวิทยายังไม่ได้หยอกล้อ ตอนนี้นักวิจัยได้ทำแผนที่เซลล์สมองและการเชื่อมต่อจำนวนมากในส่วนของสมองเมาส์ซึ่งประกอบไปด้วยเพียง 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตร - ขนาดของเม็ดทรายประมาณ 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตร
"มิลลิเมตรดูเหมือนเล็ก แต่ภายในมิลลิเมตรนั้นมีสายไฟเป็นกิโลเมตร"Jacob Reimerนักประสาทวิทยาที่วิทยาลัยการแพทย์เบย์เลอร์บอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิต Reimer เป็นผู้เขียนอาวุโสของหนึ่งใน 10 การศึกษาใหม่ที่นักวิทยาศาสตร์ให้รายละเอียดว่าพวกเขาสร้างแผนที่สมองที่น่าทึ่งนี้อย่างไร
Reimer เป็นส่วนหนึ่งของไฟล์กลุ่มไมครอนทีมนักวิจัยมากกว่า 150 คนจากหลายสถาบันในสหรัฐอเมริกา ในชุดเอกสารที่ตีพิมพ์ใน Nature Journals เมื่อวันที่ 9 เมษายนนักวิจัยไม่เพียง แต่เปิดเผยเรียกว่า "Connectome" แต่ยังอธิบายถึงวิธีที่พวกเขาใช้ชุดข้อมูลนี้เพื่อสำรวจการทำงานของสมอง
"วิธีการนี้เชื่อมช่องว่างพื้นฐานในประสาทวิทยาศาสตร์ระหว่างการสังเกตสิ่งที่เซลล์ประสาททำและเข้าใจว่าพวกเขาเชื่อมต่อกันอย่างไร"Lilianne Mujica-Parodiนักประสาทวิทยาที่มหาวิทยาลัย Stony Brook ที่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานบอกกับวิทยาศาสตร์สดทางอีเมล
ที่เกี่ยวข้อง:
แผนที่สมองได้รับการจัดทำแผนภูมิอย่างไร
นักวิจัยได้สร้างคอนเนคชั่นโดยใช้เมาส์สดที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมเพื่อให้เซลล์ประสาทของมันเรืองแสงเมื่อตื่นเต้น สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยสามารถตรวจจับเซลล์สมองโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ในขณะที่เมาส์ดูวิดีโอและคลิป YouTube รวมถึงฉากจาก "Mad Max: Fury Road," "The Matrix" และ "Star Wars: Episode VII - The Force Awakens"
นักวิจัยบันทึกการทำงานของสมองจาก 76,000 เซลล์ประสาทในบล็อกลูกบาศก์มิลลิเมตรของกลีบท้ายทอยซึ่งตั้งอยู่ที่ด้านหลังของสมองและเป็นกุญแจสำคัญสำหรับการประมวลผลภาพ ต่อมาทีมสกัดสมองของเมาส์และตรวจสอบคุณสมบัติทางกายวิภาคเช่นรูปร่างของเซลล์และการเชื่อมต่อจากกลีบเดียวกันโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
จากนั้นใช้ภาพทางกายวิภาคและเซลล์ที่เรืองแสงเป็นแนวทางอัลกอริทึมติดตามเซลล์สมองและส่วนขยายของพวกเขาสร้างแผนที่ 3 มิติสุดท้าย ความสามารถในการทำแผนที่มีเซลล์ 200,000 เซลล์และ 523 ล้านการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทเรียกว่า synapses
สมองมีเซลล์ประเภทต่าง ๆ ที่ทำหน้าที่แตกต่างกันรวมถึงเซลล์ประสาทซึ่งส่งสัญญาณและเซลล์ glial ซึ่งรองรับการทำงานของเซลล์ประสาท เครื่องมือการเรียนรู้ของเครื่องจักรขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของพวกเขา
ฟอเรสต์คอลแมนนักประสาทวิทยาที่สถาบันอัลเลนและผู้เขียนอาวุโสของเอกสารสองฉบับกล่าวว่าชุดข้อมูลนี้มีขนาดใหญ่กว่าการเชื่อมต่อสามเท่าจากการเชื่อมต่อส่วนหนึ่งของสมองมนุษย์และมีขนาดใหญ่กว่าการเชื่อมต่อของไฟล์ทำให้มันเป็นคอนเนคชั่นที่ใหญ่ที่สุดจนถึงปัจจุบัน
แม้ชุดข้อมูลจะหนาแน่นเพียงใด Reimer กล่าวว่าไม่สมบูรณ์ - เซลล์สมองบางตัวหายไป
Connectome ยังมีส่วนขยาย "เด็กกำพร้า" ที่ไม่ปรากฏว่าเกิดจากเซลล์ใด ๆ อาจเป็นเพราะเซลล์เองไม่ได้ตรวจพบโดยอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องหรือเพราะส่วนขยายที่เชื่อมต่อกับเซลล์นอกขอบเขตของภูมิภาคตัวอย่าง
“ มีการพิสูจน์อักษรจำนวนมากที่จำเป็น” Reimer กล่าวและนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่จะต้องทำด้วยตนเอง ที่กล่าวว่าทีมของเขาพัฒนาเครื่องมือซอฟต์แวร์เพื่อ-
ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับการเชื่อมต่อของระบบประสาท
มีสุภาษิตพูดว่าเซลล์ประสาทนั้น"ไฟด้วยกันลวดด้วยกัน"ความหมายอย่างน้อยในระยะทางสั้น ๆ เซลล์สมองที่เปิดใช้งานควบคู่มีแนวโน้มที่จะสร้างการเชื่อมต่อ Connectome เปิดเผยว่ารูปแบบนี้ด้วย
Collman กล่าวว่า Connectome ยังเปิดเผยข้อมูลใหม่เกี่ยวกับวิธีที่เรียกว่าเซลล์ประสาทยับยั้ง-ซึ่งทำให้เซลล์ประสาทอื่น ๆ มีโอกาสน้อยที่จะยิง--
ก่อนที่จะมี connectome นักประสาทวิทยาไม่แน่ใจว่าเซลล์ประสาทยับยั้งกำหนดเป้าหมายเซลล์เฉพาะในเครือข่ายที่กำหนดแทนที่จะส่งผลกระทบต่อเซลล์ประสาทท้องถิ่นที่เกิดขึ้นใกล้กับสายไฟของพวกเขา Collman กล่าว การเชื่อมต่อพบว่าเซลล์ยับยั้งที่มาจากพื้นที่ต่าง ๆ ในสมองสามารถมาบรรจบกันกับเซลล์เป้าหมายเดียวกันที่อยู่ไกลออกไปแนะนำการยับยั้งของพวกเขานั้นมีความเฉพาะเจาะจงมาก
ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมอาจเกิดขึ้นจากการเชื่อมต่อนี้ในอนาคต
"ผู้เขียนสร้างข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับกระดาษที่เปิดเผยต่อสาธารณะ"แม็กซ์อารากอนนักศึกษาปริญญาเอกประสาทวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันไม่เกี่ยวข้องกับงาน "นี่เป็นประโยชน์อย่างมากต่อชุมชนประสาทวิทยาศาสตร์" เขาบอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิตในอีเมลโดยสังเกตว่านักวิจัยคนอื่นสามารถใช้ประโยชน์จากข้อมูลสำหรับงานของพวกเขาเอง
นอกเหนือจากการเปิดเผยว่าสมองทำงานอย่างไร Connectome ยังสามารถ "ให้ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญสำหรับการจัดการกับความผิดปกติของระบบประสาทที่ความผิดปกติของวงจรมีบทบาท" Mujica-Parodi กล่าว-ตัวอย่างเช่นการสะสมของโล่ในโรคอัลไซเมอร์และการก่อตัวของมักจะทำลายเครือข่ายประสาท
และงานไม่ได้หยุดอยู่แค่นั้น "ลูกบาศก์มิลลิเมตรมีขนาดใหญ่ในแง่เดียว" Reimer กล่าว "แต่มันเป็นเพียงส่วนหนึ่งของระบบภาพของเมาส์"
ในทศวรรษหน้าความคิดริเริ่มสมองของสถาบันสุขภาพแห่งชาติจะมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาสมองของเมาส์ทั้งเชื่อมต่อซึ่งสามารถช่วยให้นักวิจัยเข้าใจวงจรทางไกลระหว่างภูมิภาคสมองที่แตกต่างกัน
อย่างไรก็ตามอนาคตของโครงการนี้ยังไม่แน่นอนเช่นเดียวกับสภาคองเกรสลดลง 278 ล้านดอลลาร์จากการระดมทุนเมื่อปีที่แล้ว
หมายเหตุบรรณาธิการ: Max Aragon เคยทำงานกับผู้เขียนการศึกษาสองคน Chris Xu และ Sven Dorkenwald
