Maus -Gehirnstudien verbessern das Verständnis des menschlichen Geistes

Google -Forscher haben gerade eine unglaublich detaillierte Karte des menschlichen Gehirns vorgestellt, die sich auf ein winziges, aber bedeutendes Stück konzentriert: nur 1 Kubikmillimeter Gehirngewebe, ungefähr so ​​groß wie ein halbes Reiskorn. Diese Karte, die eine erstaunliche 1,4 -Petabyte Daten zum Codieren erforderte, zeigt einzelne Neuronen und ihre komplizierten Verbindungen mit bemerkenswerter Klarheit.

Obwohl es sich um einen winzigen Teil des Gehirns handelt, hat die Karte zu erstaunlichen Entdeckungen geführt. "Zum Beispiel haben wir einige der neuronalen Drähte bemerkt, die sich in diese massiven Knoten drehen", sagt der Google -Forschungswissenschaftler Viren Jain. "Wir sind ahnungslos darüber, warum dies passiert - es ist etwas, das niemand vorher gesehen hat."

Jetzt verlagern Viren und sein Team ihren Fokus auf das Gehirn von Mäusen und aus einem überzeugenden Grund. Diese kleinen Säugetiere könnten den Schlüssel halten, um einige der tiefsten Geheimnisse unserer eigenen Köpfe freizuschalten. Fragen wie: Wie speichern und holen wir Erinnerungen? Wie erkennen wir Objekte und Gesichter? Warum brauchen wir so viel Schlaf? Und welche Fehlfunktionen bei Bedingungen wie Alzheimer und anderen Gehirnkrankheiten?

"Der Hauptgrund, warum wir keine Antworten auf diese Fragen haben, ist, dass wir immer noch wichtige Daten fehlen, um das Gehirn zu untersuchen", erklärt Viren.

Das menschliche Gehirn mit seinen 86 Milliarden Neuronen und über 100 Billionen Synapsen ist die komplexe Maschinerie hinter unseren Gedanken, Emotionen, Bewegungen und Interaktionen mit der Welt. Durch die Abbildung dieser neuronalen Verbindungen oder des "Connectome" können wir Einblicke in die Funktionsweise unseres Gehirns gewinnen und warum sie es manchmal nicht tun.

Das Erstellen detaillierter Karten auf synaptischer Ebene ist keine kleine Leistung. Es erfordert die Bildgebung des Gehirns bei der Auflösung von Nanometern und Umgang mit enormen Datenmengen. Es ist eine technische Herausforderung, die kontinuierliche Innovationen in der Bildgebung, KI -Algorithmen und Datenmanagement -Tools erfordert. Aus diesem Grund hat Google Research vor einem Jahrzehnt sein Connectomics -Team eingerichtet.

In den letzten zehn Jahren hat das Team erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von Technologien zum Verarbeiten, Analysieren und Austausch von Daten unternommen und unser Verständnis des Gehirns erheblich beschleunigt. Zum Beispiel führten sie Hochwasserfunktionsnetzwerke ein, die die Verfolgung von Neuronen über Gehirnbilder mithilfe maschineller Lernen automatisieren und die Notwendigkeit einer manuellen Färbung beseitigen. Sie entwickelten auch den SEGCLR -Algorithmus, um verschiedene Teile von Zellen und Zelltypen in diesen Netzwerken automatisch zu identifizieren. Darüber hinaus erstellten sie Software wie TensorStore und Neuroglancer, um große, mehrdimensionale Bilder und Volumina zu speichern, zu verarbeiten und visualisieren.

Das Kartieren des gesamten menschlichen Gehirns Connectome bleibt jedoch ein fernes Ziel. Es wäre erforderlich, bis zu einem Zettabyte Daten zu analysieren - eine Milliarde Terabyte -, was derzeit über unsere technologische Reichweite hinausgeht. "Die Kartierung des gesamten menschlichen Gehirns würde jetzt Milliarden von Dollar und Hunderten von Jahren dauern", gibt Viren zu.

Infolgedessen konzentrieren sich die Forscher darauf, entweder größere Teile kleinerer Tiere oder kleinere Abschnitte größerer Tiere zu kartieren. Im Jahr 2020 kartierte das Connectomics -Team erfolgreich die Hälfte des Gehirns einer Fruchtfliege und deckte Verbindungen zwischen 25.000 Neuronen auf. Die Zusammenarbeit mit anderen Forschern hat auch zur Schaffung von Konnektomen für Teile des Zebrafein- und Zebrafisch -Larvengehirns geführt. Und im Mai wurde die detaillierte Karte von 1 kubischem Millimeter menschlichen Gehirngewebes in der Wissenschaft veröffentlicht.

Die Datensätze dieser Projekte wurden von Tausenden von Forschern weltweit verwendet, was zu Hunderten von veröffentlichten Entdeckungen führte.

Die Forscher haben ein 3D -Bild von nahezu jedem Neuron und ihrer Verbindungen in einem kleinen Stück menschliches Gehirngewebes erstellt. Das obere Bild zeigt exzitatorische Neuronen, die gelb beleuchtet sind, während das untere Bild hemmende Neuronen zeigt, die blau hervorgehoben werden.

Das Connectomics-Team arbeitet derzeit mit Partnern in Harvard, Princeton und anderen Institutionen zusammen, um den Hippocampus der Maus abzubilden-die für Gedächtnisbildung, Aufmerksamkeit und räumliche Navigation verantwortliche Gehirnregion, die 2-3% des gesamten Maushirns umfasst.

Ohne die Mittel, um das gesamte menschliche Gehirn abzubilden, ist die Analyse eines Maus Connectome ein praktischer nächster Schritt. Es ist klein genug, um machbar zu sein und könnte Einblicke für menschliches Gehirn liefern. "Wenn Sie ein Maushirn unter einem Elektronenmikroskop untersuchen, sieht es einem menschlichen Gehirn bemerkenswert ähnlich aus. Es handelt sich im Wesentlichen um eine Miniaturversion", sagt Jeff W. Lichtman, Professor für Molekular- und Zellbiologie in Harvard. Aus diesem Grund werden Mäuse oft verwendet, um menschliche Gehirnstörungen zu untersuchen.

Mäuse repräsentieren die neueste Grenze in Connectomics, aber Neurowissenschaftler kartieren seit Jahrzehnten immer komplexer. Das erste Connectome stammte aus dem Gehirn eines Wurms, das 1986 nach 16 Jahren Arbeit veröffentlicht wurde.

Obwohl ein Maushirn 1.000 -mal kleiner ist als ein menschliches Gehirn, bleibt die Kartierung eine gewaltige technische Herausforderung. Der Datensatz eines einzelnen Maushirn-Connectome bei Nanometerauflösung könnte der größte biologische Datensatz aller Zeiten sein, der auf 20.000 bis 30.000 Terabyte geschätzt wird.

"Die Daten erfassen nicht nur eine Herausforderung, sondern das Speichern und genaue Verarbeitung ist eine weitere Hürde", bemerkt Viren. "Unser einzigartiger Beitrag war es, Tools zu entwickeln, die die Grenzen der Genauigkeit überschreiten und sie auf immer größere Datensätze anwenden."

Bei Erfolg wird das Maus -Gehirnprojekt des Connectomics -Teams das erste Mal sein, dass Wissenschaftler einen Teil eines Hippocampus von Säugetieren und der größten Hirnabteilung zugeordnet haben, die jemals versucht wurde, abgebildet zu werden.

"Grundlagenforschung ist unglaublich wertvoll", schließt Viren. "Was mich erregt, ist die Aussicht, dass ein Tag genau versteht, wie Erinnerungen gebildet werden und was psychische Störungen oder Krankheiten verursacht. Aber um dies zu erreichen, müssen wir die Technologie auf eine Weise weiterentwickeln, die vor ein paar Jahrzehnten unvorstellbar gewesen wäre."