Nghiên cứu não chuột tăng cường sự hiểu biết về tâm trí con người

Các nhà nghiên cứu của Google vừa tiết lộ một bản đồ cực kỳ chi tiết về bộ não con người, tập trung vào một mảnh nhỏ nhưng có ý nghĩa: chỉ 1 milimet mô não, gần bằng một nửa hạt gạo. Bản đồ này, yêu cầu 1,4 petabyte dữ liệu đáng kinh ngạc để mã hóa, giới thiệu các tế bào thần kinh riêng lẻ và các kết nối phức tạp của chúng với sự rõ ràng đáng chú ý.

Mặc dù đó là một phần rất nhỏ của não, bản đồ đã dẫn đến một số khám phá đáng kinh ngạc. "Ví dụ, chúng tôi nhận thấy một số dây thần kinh xoắn vào các nút thắt lớn này", nhà khoa học nghiên cứu của Google Viren Jain nói. "Chúng tôi không biết gì về lý do tại sao điều này xảy ra - đó là điều mà không ai thấy trước đây."

Bây giờ, Viren và nhóm của anh ta đang chuyển sự tập trung của họ sang bộ não của chuột và vì một lý do thuyết phục. Những động vật có vú nhỏ này có thể chỉ giữ chìa khóa để mở khóa một số bí ẩn sâu sắc nhất trong tâm trí của chúng ta. Các câu hỏi như: Làm thế nào để chúng ta lưu trữ và lấy lại ký ức? Làm thế nào để chúng ta nhận ra các đối tượng và khuôn mặt? Tại sao chúng ta cần ngủ nhiều như vậy? Và điều gì xảy ra trong các điều kiện như Alzheimer và các bệnh não khác?

"Lý do chính chúng tôi thiếu câu trả lời cho những câu hỏi này là chúng tôi vẫn còn thiếu dữ liệu quan trọng để nghiên cứu bộ não", Viren giải thích.

Bộ não con người, với 86 tỷ tế bào thần kinh và hơn 100 nghìn tỷ khớp thần kinh, là bộ máy phức tạp đằng sau suy nghĩ, cảm xúc, chuyển động và tương tác của chúng ta với thế giới. Bằng cách ánh xạ các kết nối thần kinh này hoặc "kết nối", chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách bộ não của chúng ta hoạt động và lý do tại sao đôi khi chúng không.

Tạo bản đồ chi tiết ở cấp độ synap không phải là một kỳ công nhỏ; Nó đòi hỏi hình ảnh não ở độ phân giải nanomet và xử lý khối lượng dữ liệu khổng lồ. Đó là một thách thức kỹ thuật đòi hỏi sự đổi mới liên tục trong hình ảnh, thuật toán AI và các công cụ quản lý dữ liệu. Đó là lý do tại sao, một thập kỷ trước, Google Research đã thiết lập nhóm Connectomics của mình.

Trong mười năm qua, nhóm nghiên cứu đã có những bước tiến đáng kể trong việc phát triển các công nghệ để xử lý, phân tích và chia sẻ dữ liệu hiệu quả hơn, đẩy nhanh sự hiểu biết của chúng ta về não. Ví dụ, họ đã giới thiệu các mạng lưới làm đầy lũ, tự động hóa việc truy tìm các tế bào thần kinh trên các hình ảnh não bằng cách sử dụng máy học, loại bỏ sự cần thiết phải tô màu thủ công. Họ cũng đã phát triển thuật toán SEGCLR để tự động xác định các phần khác nhau của các ô và loại ô trong các mạng này. Ngoài ra, họ đã tạo ra các phần mềm như Tensorstore và Neuroglancer để giúp lưu trữ, xử lý và trực quan hóa các hình ảnh và khối lượng lớn, đa chiều.

Tuy nhiên, ánh xạ toàn bộ kết nối não người vẫn là một mục tiêu xa. Nó sẽ yêu cầu phân tích lên đến một zettabyte dữ liệu - một tỷ terabyte - hiện đang nằm ngoài phạm vi công nghệ của chúng tôi. "Bản đồ toàn bộ bộ não con người ngay bây giờ sẽ mất hàng tỷ đô la và hàng trăm năm," Viren thừa nhận.

Do đó, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc lập bản đồ các phần lớn hơn của bộ não của động vật nhỏ hơn hoặc các phần nhỏ hơn của bộ não của động vật lớn hơn. Vào năm 2020, nhóm Connectomics đã lập bản đồ thành công một nửa bộ não của một con ruồi giấm, phát hiện ra các kết nối giữa 25.000 tế bào thần kinh. Sự hợp tác với các nhà nghiên cứu khác cũng đã dẫn đến việc tạo ra các kết nối cho các bộ phận của não Zebra Finch và Zebrafish. Và vào tháng Năm, bản đồ chi tiết của 1 khối mô não người đã được công bố trên Science .

Các bộ dữ liệu từ các dự án này đã được sử dụng bởi hàng ngàn nhà nghiên cứu trên toàn thế giới, dẫn đến hàng trăm khám phá được công bố.

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng một hình ảnh 3D của gần như mọi tế bào thần kinh và các kết nối của chúng trong một mảnh nhỏ của mô não người. Hình ảnh trên cùng cho thấy các tế bào thần kinh kích thích, sáng màu vàng, trong khi hình ảnh dưới cùng hiển thị các tế bào thần kinh ức chế, nổi bật trong màu xanh lam.

Nhóm Connectomics hiện đang hợp tác với các đối tác tại Harvard, Princeton và các tổ chức khác để lập bản đồ vùng hải mã của chuột-vùng não chịu trách nhiệm hình thành bộ nhớ, sự chú ý và điều hướng không gian, bao gồm 2-3% toàn bộ não chuột.

Không có phương tiện để ánh xạ toàn bộ bộ não con người, phân tích một kết nối chuột là một bước tiếp theo thực tế. Nó đủ nhỏ để khả thi và có thể mang lại những hiểu biết áp dụng cho bộ não của con người. Jeff W. Lichtman, giáo sư sinh học phân tử và tế bào tại Harvard cho biết: "Khi bạn kiểm tra một bộ não chuột dưới kính hiển vi điện tử, nó trông rất giống với bộ não con người. Về cơ bản, đó là phiên bản thu nhỏ". Đây là lý do tại sao chuột thường được sử dụng để nghiên cứu các rối loạn não người.

Chuột đại diện cho biên giới mới nhất trong Connectomics, nhưng các nhà thần kinh học đã lập bản đồ bộ não ngày càng phức tạp trong nhiều thập kỷ. Connectome đầu tiên là về não của một con sâu, được xuất bản vào năm 1986 sau 16 năm làm việc.

Mặc dù một bộ não chuột nhỏ hơn 1.000 lần so với não người, nhưng việc lập bản đồ nó vẫn là một thách thức kỹ thuật đáng gờm. Bộ dữ liệu từ một kết nối não chuột duy nhất ở độ phân giải nanomet có thể là bộ dữ liệu sinh học lớn nhất từ ​​trước đến nay, ước tính khoảng 20.000-30.000 terabyte.

"Không chỉ có được dữ liệu là một thách thức, mà còn lưu trữ và xử lý chính xác nó là một trở ngại khác", Viren lưu ý. "Đóng góp độc đáo của chúng tôi đã phát triển các công cụ đẩy ranh giới chính xác và áp dụng chúng cho các bộ dữ liệu ngày càng lớn hơn."

Nếu thành công, dự án não chuột của nhóm Connectomics sẽ là lần đầu tiên các nhà khoa học lập bản đồ một phần của vùng đồi thị động vật có vú và phần não lớn nhất từng cố gắng được ánh xạ.

"Nghiên cứu cơ bản là vô cùng có giá trị", Viren kết luận. "Điều khiến tôi phấn khích là triển vọng của một ngày hiểu chính xác cách hình thành ký ức và điều gì gây ra rối loạn tâm thần hoặc bệnh tật. Nhưng để đạt được điều này, chúng ta cần tiếp tục thúc đẩy công nghệ theo cách không thể tưởng tượng được chỉ vài thập kỷ trước."