Rozplétání neuronové sítě v mozku složitější než dekódování lidského genomu

Mnoho let se zdálo nemožné detailně zrekonstruovat neuronovou síť tak komplexní, jakou je lidský mozek s minimálně 70 miliardami neuronů a stovkami tisíc kilometrů obvodů. Každý neuron je přitom propojen s asi tisícovkou dalších pomocí jemně rozvětvených výběžků tzv. dendritů a axonů a komunikuje s nimi pomocí elektrických signálů. Právě tyto spoje jsou důležité pro fungování mozku. Neurovědci proto chtějí porozumět struktuře těchto obvodů neboli tzv. konektomu a pokoušejí se sestavit jeho trojrozměrné mapy. Pro tento úkol však dosud chybí dostatečný výpočetní výkon a tak se vědci zatím musí spokojit s mapováním jen omezených částí mozku.

"Množství spojů je ale i tak ohromné a pokud bychom úkol nerozdělili mezi dostatečně velký počet lidí, neměli bychom šanci ho zvládnout", tvrdí výzkumníci z Institutu Maxe Plancka pro lékařský výzkum v Heidelbergu Moritz Helmstaedter, Kevin L. Briggman a Winfried Denk, kterým se s podporou více než 70 studentů z Univerzity v Heidelbergu podařilo detailně zrekonstruovat síť více než 100 neuronů v oční sítnici myši. K tomuto účelu vyvinuli speciální softwarový nástroj nazvaný RESCOP, který sumarizuje výsledky několika anotátorů a vytváří celkový obraz.

K trasování jednotlivých spojení mezi neurony studenti využívají program KNOSSOS vyvinutý týmem v Heidelbergu. Není náhodou, že program byl pojmenován po legendárním paláci na Krétě, který je proslulý jako komplikovaný labyrint chodeb s tisícovkou místností různých funkcí. "Sledování spojení v mozku, je přinejmenším stejně těžké, jako najít cestu ven z mytologického labyrintu," vysvětluje Moritz Helmstaedter.

Jednomu člověku by se současným softwarovým vybavením trvalo zrekonstruovat cestu o délce 30cm nejméně 30 let.

Aby bylo možno neuronové obvody rekonstruovat, začali vědci neurony barvit těžkými kovy, aby je zviditelnili. Začínali v těle buňky a pokračovali do dendritů a axonů, používali k tomu obrázky z trojrozměrného elektronového mikroskopu, kde označovali tzv. "branch point notes" tedy body, ve kterých docházelo k větvení. Poté byl pomocí počítače generován trojrozměrný obraz dané sekce. Tímto způsobem byla kousek po kousku zpracována jejich cesta změtí neuronů. Pro představu jednomu člověku by se současným softwarovým vybavením trvalo nejméně 30 let zrekonstruovat cestu o délce 30cm. Kromě toho je zmíněný postup náchylný k chybám, protože místa větvení nejsou vždy snadno rozpoznatelná, a pozornost anotátora také s časem klesá.

Software KNOSSOS výrazně snižuje potřebný čas, je přibližně 50krát rychlejší než ostatní do teď používané programy. Navíc program RESCOP umožňuje, aby na rekonstrukci ve stejnou dobu pracovaly desítky lidí. Metodu snadno zvládne i lajk. Většina studentů pracuje z domova a své výsledky posílá vědcům emailem. Vědci byli schopni prokázat, že míra chyb u nejlepších studentů nebyla vyšší než u zkušených neurobiologů. Sofistikované algoritmy navíc umožňují, aby RESCOP odhaloval případné nepřesnosti, které se při mapování mohou objevit. To znamená, že rekonstrukce je nejen rychlejší, ale také spolehlivější než dříve.

Winfried Denk k tomu řekl: "Tyto nové programy nám vůbec poprvé v historii umožňují rozplést složité neuronové sítě v mozku, tedy úkol mnohem složitější než dekódování lidského genomu." Vědci dále plánují rekonstruovat fragmenty kůry mozkové u myši, protože to je místo, kde probíhají všechny důležité psychické procesy.