Μια παγκόσμια ομάδα 150 νευροεπιστημόνων ολοκλήρωσε το πιο λεπτομερές διάγραμμα καλωδίωσης εγκεφάλου θηλαστικού μέσω του προγράμματος MICrONS, ξεπερνώντας παλαιότερους τεχνολογικούς περιορισμούς και προκλήσεις που θεωρούνταν ανέφικτες.
Το έργο παρήγαγε ένα τεράστιο σύνολο δεδομένων 1,6 petabyte, που αντιστοιχεί σε 22 χρόνια συνεχούς βίντεο HD, και δημοσιεύτηκε σε δέκα επιστημονικές μελέτες στα περιοδικά Nature, προσφέροντας μια πρωτοφανή εικόνα της λειτουργίας και οργάνωσης του εγκεφαλικού συστήματος.
Πιο αναλυτικά:
Το MIcroNS Project θεωρείται το πιο περίπλοκο πείραμα νευροεπιστήμης που επιχειρήθηκε ποτέ.
Από ένα μικροσκοπικό δείγμα ιστού όχι μεγαλύτερο από έναν κόκκο άμμου, οι επιστήμονες έχουν φτάσει σε έναν στόχο που κάποτε θεωρούνταν ανέφικτος: την κατασκευή ενός πλήρους λειτουργικού χάρτη ενός τμήματος του εγκεφάλου. Το 1979, ο διάσημος μοριακός βιολόγος, Φράνσις Κρικ, δήλωσε ότι θα ήταν «[αδύνατο] να δημιουργηθεί ένα ακριβές διάγραμμα καλωδίωσης για ένα κυβικό χιλιοστό εγκεφαλικού ιστού και τον τρόπο με τον οποίο πυροδοτούνται όλοι οι νευρώνες του». Όμως, τα τελευταία επτά χρόνια, μια παγκόσμια ομάδα περισσότερων από 150 νευροεπιστημόνων και ερευνητών το έφερε πιο κοντά στην πραγματικότητα.
Το πρόγραμμα Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS) έχει δημιουργήσει το πιο λεπτομερές διάγραμμα καλωδίωσης ενός εγκεφάλου θηλαστικού μέχρι σήμερα. Οι επιστήμονες δημοσίευσαν τα επιστημονικά ευρήματα (βλ. https://www.nature.com/collections/bdigiaicbd ) από αυτόν τον τεράστιο πόρο δεδομένων σε μια συλλογή δέκα μελετών στην οικογένεια περιοδικών Nature . Το διάγραμμα καλωδίωσης και τα δεδομένα του, ελεύθερα διαθέσιμα μέσω του MIcrONS Explorer, έχουν μέγεθος 1,6 petabyte (που ισοδυναμεί με 22 χρόνια ασταμάτητου βίντεο HD) και προσφέρουν ασυνήθιστη εικόνα για τη λειτουργία του εγκεφάλου και την οργάνωση του οπτικού συστήματος.
“Η επένδυση του IARPA στο πρόγραμμα MICRONS κατέρριψε τους προηγούμενους τεχνολογικούς περιορισμούς, δημιουργώντας την πρώτη πλατφόρμα για τη μελέτη της σχέσης μεταξύ νευρωνικής δομής και λειτουργίας σε κλίμακες που είναι απαραίτητες για την κατανόηση της νοημοσύνης. Αυτό το επίτευγμα επικυρώνει την εστιασμένη ερευνητική μας προσέγγιση και θέτει τις βάσεις για μελλοντική κλιμάκωση σε ολόκληρο το επίπεδο του εγκεφάλου.”
Οι επιστήμονες στο Baylor College of Medicine ξεκίνησαν χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα μικροσκόπια για να καταγράφουν την εγκεφαλική δραστηριότητα από ένα τμήμα ενός κυβικού χιλιοστού του οπτικού φλοιού ενός ποντικιού καθώς το ζώο παρακολουθούσε ταινίες επιστημονικής φαντασίας τύπου Matrix, αθλητικά στιγμιότυπα και κινούμενα σχέδια.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές του Ινστιτούτου Άλεν πήραν το ίδιο κυβικό χιλιοστό του εγκεφάλου και το έκοψαν σε περισσότερα από 25.000 στρώματα, το καθένα 1/400 του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας, και χρησιμοποίησαν μια σειρά ηλεκτρονικών μικροσκοπίων για να τραβήξουν φωτογραφίες υψηλής ανάλυσης. Τέλος, μια άλλη ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον χρησιμοποίησε τεχνητή νοημοσύνη και μηχανική μάθηση για να ανακατασκευάσει τα κύτταρα και τις συνδέσεις σε έναν τρισδιάστατο τόμο. Σε συνδυασμό με τις καταγραφές της εγκεφαλικής δραστηριότητας, το αποτέλεσμα είναι το μεγαλύτερο διάγραμμα καλωδίωσης και λειτουργικού χάρτη του εγκεφάλου μέχρι σήμερα, που περιέχει περισσότερα από 200.000 κύτταρα, τέσσερα χιλιόμετρα άξονες (οι κλάδοι που φτάνουν σε άλλα κύτταρα) και 523 εκατομμύρια συνάψεις (τα σημεία σύνδεσης μεταξύ των κυττάρων).
«Μέσα σε αυτό το μικροσκοπικό κομμάτι είναι μια ολόκληρη αρχιτεκτονική σαν ένα εξαίσιο δάσος», είπε ο Clay Reid, Ph.D., ανώτερος ερευνητής και ένας από τους πρώτους ιδρυτές της συνδετομικής ηλεκτρονικής μικροσκοπίας που έφερε αυτόν τον τομέα της επιστήμης στο Ινστιτούτο Allen πριν από 13 χρόνια. «Έχει κάθε είδους κανόνες συνδέσεων που γνωρίζαμε από διάφορα μέρη της νευροεπιστήμης, και μέσα στην ίδια την ανασυγκρότηση, μπορούμε να δοκιμάσουμε τις παλιές θεωρίες και να ελπίζουμε να βρούμε νέα πράγματα που κανείς δεν έχει δει ποτέ πριν».
Μια νέα ματιά στη λειτουργία και την οργάνωση του εγκεφάλου
Τα ευρήματα από τις μελέτες αποκαλύπτουν νέους τύπους κυττάρων, χαρακτηριστικά, οργανωτικές και λειτουργικές αρχές και έναν νέο τρόπο ταξινόμησης κυττάρων. Ανάμεσα στα πιο εκπληκτικά ευρήματα ήταν η ανακάλυψη μιας νέας αρχής αναστολής στον εγκέφαλο. Οι επιστήμονες θεωρούσαν προηγουμένως τα ανασταλτικά κύτταρα — αυτά που καταστέλλουν τη νευρική δραστηριότητα — ως μια απλή δύναμη που μειώνει τη δράση άλλων κυττάρων. Ωστόσο, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα πολύ πιο εξελιγμένο επίπεδο επικοινωνίας: τα ανασταλτικά κύτταρα δεν είναι τυχαία στις ενέργειές τους. Αντίθετα, είναι εξαιρετικά επιλεκτικά σχετικά με τα διεγερτικά κύτταρα που στοχεύουν, δημιουργώντας ένα σύστημα συντονισμού και συνεργασίας σε όλο το δίκτυο. Ορισμένα ανασταλτικά κύτταρα συνεργάζονται, καταστέλλοντας πολλαπλά διεγερτικά κύτταρα, ενώ άλλα είναι πιο ακριβή, στοχεύοντας μόνο σε συγκεκριμένους τύπους.
«Αυτό είναι το μέλλον από πολλές απόψεις», εξήγησε ο Ανδρέας Τόλιας, Ph.D., ένας από τους κορυφαίους επιστήμονες που εργάστηκαν σε αυτό το έργο τόσο στο Baylor College of Medicine όσο και στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.
Τι σημαίνει αυτό για την Επιστήμη και την Ιατρική
Η κατανόηση της μορφής και της λειτουργίας του εγκεφάλου και η ικανότητα ανάλυσης των λεπτομερών συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων σε άνευ προηγουμένου κλίμακα ανοίγει νέες δυνατότητες για τη μελέτη του εγκεφάλου και της νοημοσύνης. Έχει επίσης επιπτώσεις σε διαταραχές όπως το Αλτσχάιμερ, το Πάρκινσον, ο αυτισμός και η σχιζοφρένεια που περιλαμβάνουν διαταραχές στη νευρική επικοινωνία.
“Αν έχετε χαλασμένο ραδιόφωνο και έχετε το διάγραμμα κυκλώματος, θα είστε σε καλύτερη θέση να το διορθώσετε.” είπε ο Nuno da Costa, Ph.D., συνεργάτης ερευνητής στο Allen Institute.
Το MIcroNS Project είναι μια συλλογική προσπάθεια περισσότερων από 150 επιστημόνων και ερευνητών από το Ινστιτούτο Allen, το Πρίνστον, το Χάρβαρντ, το Baylor College of Medicine, το Στάνφορντ και πολλούς άλλους.
«Το να κάνεις αυτό το είδος επιστήμης μεγάλης, ομαδικής κλίμακας απαιτεί πολλή συνεργασία», δήλωσε ο Forrest Collman, Ph.D., αναπληρωτής διευθυντής δεδομένων και τεχνολογίας στο Ινστιτούτο Allen. «Απαιτείται από τους ανθρώπους να ονειρεύονται μεγάλα πράγματα και να συμφωνούν να αντιμετωπίζουν προβλήματα που δεν είναι προφανώς επιλύσιμα, και έτσι γίνονται οι πρόοδοι».
Η συλλογική, παγκόσμια προσπάθεια κατέστη δυνατή με την υποστήριξη της Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) και της Έρευνας Εγκεφάλου του Εθνικού Ινστιτούτου Υγείας Through Advancing Innovative Neurotechnologies® Initiative ή The BRAIN Initiative®.
Ένας χάρτης νευρωνικής συνδεσιμότητας, μορφής και λειτουργίας από ένα τμήμα του εγκεφάλου σε μέγεθος άμμου δεν είναι απλώς ένα επιστημονικό θαύμα, αλλά ένα βήμα προς την κατανόηση της άπιαστης προέλευσης της σκέψης, του συναισθήματος και της συνείδησης. Το «αδύνατο» έργο που οραματίστηκε για πρώτη φορά ο Φράνσις Κρικ το 1979 είναι τώρα ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.
How does the brain work?
Scientists are closer to the answer with the largest wiring diagram and functional map of a mammalian brain to date. 🧵 pic.twitter.com/7wXTY8jH3g
— Allen Institute (@AllenInstitute) April 9, 2025
