Sep 12

Rozplétání neuronové sítě v mozku složitější než dekódování lidského genomu

konektom
Rekonstrukce 114 bipolárních tyčovitých nervových buněk části oční sítnice u myši. Každá buňka má jinou barvu. Husté svazky jsou dendrity, rozptýlenější výběžky jsou axony. (Zdroj: Max Planck Institute for Medical Research)
mezera

Lidský mozek je nejsložitější ze všech orgánů, obsahuje miliardy neuronů se stovkami jejich výběžků a to vše je propleteno do velmi složité třírozměrné pavučiny. Mapování této rozsáhlé sítě představuje pro vědce doposud prakticky nezdolatelnou výzvu. Výzkumný tým pro lékařský výzkum z Institutu Maxe Plancka při univerzitě v Heidelbergu ale nyní vyvinul metodu pro řešení tohoto nelehkého úkolu. Skupina více než 70 studentů mapovala síť s více než 100-vkou neuronů pomocí dvou nových počítačových programů, KNOSSOS a RESCOP, což se ukázalo být rychlejší a přesnější než pomocí předchozích metod.


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.


trasování neuronu
A) Trasování neuronového fragmentu, B) Schematické znázornění neuronu po procesu trasování. (Zdroj: Helmstaedter et al., 2011)

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.


Prameny:



POZASTAVENO PŘEKLÁDÁNÍ NOVINEK


PŘEKLAD AKTUÁLNÍCH ČLÁNKŮ DO ČEŠTINY BYL POZASTAVEN Z DŮVODŮ NEDOSTATKU FINANČNÍCH PROSTŘEDKŮ. MONITOROVÁNÍ VÝZKUMU MOZKU NICMÉNĚ POKRAČUJE V RÁMCI "MIND UPLOADING PROJECT", KDE PŘINÁŠÍME AKTUÁLNÍ DĚNÍ V ORIGINÁLNÍM ANGLICKÉM ZNĚNÍ. RÁDI VYDÁVÁNÍ ČESKÝCH ČLÁNKŮ OPĚT OBNOVÍME, JAKMILE SE NA NAŠEM ÚČTĚ OBJEVÍ NĚJAKÉ PENÍZE OD ČESKÝCH DÁRCŮ A SPONZORŮ.

daruj