Πριν από δέκα χρόνια, ο Δρ Jeff Lichtman – καθηγητής μοριακής και κυτταρικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ – έλαβε στο εργαστήριό του ένα μικρό δείγμα εγκεφάλου. Αν και μικροσκοπικό, το 1 κυβικό χιλιοστό ιστού ήταν αρκετά μεγάλο ώστε να περιέχει 57.000 κύτταρα, 230 χιλιοστά αιμοφόρων αγγείων και 150 εκατομμύρια συνάψεις.
“Ήταν μικρότερο από έναν κόκκο ρυζιού, αλλά αρχίσαμε να το κόβουμε και να το κοιτάμε και ήταν πραγματικά όμορφο”, είπε. “Καθώς όμως συσσωρεύαμε τα δεδομένα, συνειδητοποίησα ότι είχαμε πολύ, πολύ περισσότερα από όσα μπορούσαμε να διαχειριστούμε”.
Τελικά, ο Lichtman και η ομάδα του κατέληξαν με 1.400 terabytes δεδομένων από το δείγμα – περίπου το περιεχόμενο πάνω από 1 δισεκατομμυρίου βιβλίων. Τώρα, μετά από μια δεκαετία στενής συνεργασίας της εργαστηριακής ομάδας με τους επιστήμονες της Google, τα δεδομένα αυτά έχουν μετατραπεί στον πιο λεπτομερή χάρτη δείγματος ανθρώπινου εγκεφάλου που έχει δημιουργηθεί ποτέ.
300 εκατομμύρια εικόνες
Το δείγμα εγκεφάλου προήλθε από έναν ασθενή με σοβαρή επιληψία. Είναι η συνήθης διαδικασία, είπε ο Lichtman, να αφαιρείται ένα μικρό τμήμα του εγκεφάλου για να σταματήσουν οι επιληπτικές κρίσεις και στη συνέχεια να εξετάζεται ο ιστός για να βεβαιωθεί ότι είναι φυσιολογικός. “Αλλά το δείγμα ήταν ανώνυμο, οπότε δεν ήξερα σχεδόν τίποτα για τον ασθενή, εκτός από την ηλικία και το φύλο του”, είπε.
Για να αναλύσουν το δείγμα, ο Lichtman και η ομάδα του το έκοψαν πρώτα σε λεπτές τομές χρησιμοποιώντας ένα μαχαίρι με λεπίδα από διαμάντι. Στη συνέχεια, τα τμήματα ενσωματώθηκαν σε μια σκληρή ρητίνη και κόπηκαν και πάλι σε φέτες, πολύ λεπτές. “Περίπου 30 νανόμετρα, ή περίπου το 1.000στό του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας. Ήταν σχεδόν αόρατα, αν δεν υπήρχε το γεγονός ότι τα είχαμε βάψει με βαρέα μέταλλα, τα οποία τα έκαναν ορατά όταν κάναμε ηλεκτρονική απεικόνιση”, είπε.
Η ομάδα κατέληξε σε αρκετές χιλιάδες φέτες, τις οποίες μάζεψε με μια ειδικά κατασκευασμένη ταινία, δημιουργώντας ένα είδος ταινίας φιλμ: “Αν τραβήξετε μια φωτογραφία από κάθε μία από αυτές τις τομές και ευθυγραμμίσετε αυτές τις εικόνες, θα έχετε ένα τρισδιάστατο κομμάτι του εγκεφάλου σε μικροσκοπικό επίπεδο”. Τότε ήταν που οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι χρειάζονταν βοήθεια με τα δεδομένα, επειδή οι εικόνες που προέκυπταν θα καταλάμβαναν σημαντικό αποθηκευτικό χώρο.
Ο Lichtman γνώριζε ότι η Google εργαζόταν πάνω σε έναν ψηφιακό χάρτη του εγκεφάλου μιας φρουτόμυγας, που θα κυκλοφορούσε το 2019, και διέθετε το κατάλληλο υπολογιστικό υλικό για τη δουλειά. Ήρθε σε επαφή με τον Viren Jain, έναν ανώτερο ερευνητή της Google που εργαζόταν στο πρόγραμμα για τη μύγα των φρούτων.
“Υπήρχαν 300 εκατομμύρια ξεχωριστές εικόνες (στα δεδομένα του Χάρβαρντ)”, δήλωσε ο Jain. “Αυτό που κάνει τόσα πολλά δεδομένα είναι ότι απεικονίζεις σε πολύ υψηλή ανάλυση, στο επίπεδο μιας μεμονωμένης σύναψης. Και μόνο σε αυτό το μικρό δείγμα εγκεφαλικού ιστού υπήρχαν 150 εκατομμύρια συνάψεις”.
Για να βγάλουν νόημα από τις εικόνες, οι επιστήμονες της Google χρησιμοποίησαν επεξεργασία και ανάλυση με βάση την Τεχνητή Νοημοσύνη, εντοπίζοντας τι είδους κύτταρα υπήρχαν σε κάθε εικόνα και πώς συνδέονταν μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα είναι ένα διαδραστικό τρισδιάστατο μοντέλο του εγκεφαλικού ιστού και το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων που έχει γίνει ποτέ σε αυτή την ανάλυση για τη δομή του ανθρώπινου εγκεφάλου. Η Google το διέθεσε στο διαδίκτυο ως “Neuroglancer”, ενώ ταυτόχρονα δημοσιεύθηκε μελέτη στο περιοδικό Science, με τους Lichtman και Jain μεταξύ των συν-συγγραφέων.
Κατανόηση του εγκεφάλου
Η συνεργασία μεταξύ των ομάδων του Χάρβαρντ και της Google οδήγησε σε έγχρωμες εικόνες που κάνουν τα επιμέρους συστατικά πιο ορατά, αλλά κατά τα άλλα αποτελούν μια αληθινή αναπαράσταση του ιστού. “Τα χρώματα είναι εντελώς αυθαίρετα”, εξήγησε ο Jain, “αλλά πέρα από αυτό, δεν υπάρχει μεγάλη καλλιτεχνική άδεια εδώ. Το όλο νόημα είναι ότι δεν τα βγάζουμε από το μυαλό μας – πρόκειται για τους πραγματικούς νευρώνες, τα πραγματικά καλώδια που υπάρχουν σε αυτόν τον εγκέφαλο, και στην πραγματικότητα απλώς τα καθιστούμε βολικά και προσιτά στους βιολόγους για να τα δουν και να τα μελετήσουν”.
Τα δεδομένα περιείχαν κάποιες εκπλήξεις. Για παράδειγμα, αντί να σχηματίζουν μία μόνο σύνδεση, τα ζεύγη νευρώνων έχουν αντίθετα περισσότερες από 50. “Αυτό είναι περίπου σαν να είχαν δύο σπίτια σε ένα τετράγωνο 50 ξεχωριστές τηλεφωνικές γραμμές που τα συνδέουν. Τι συμβαίνει εκεί; Γιατί είναι τόσο ισχυρά συνδεδεμένα; Δεν γνωρίζουμε ακόμη ποια είναι η λειτουργία ή η σημασία αυτού του φαινομένου, θα πρέπει να το μελετήσουμε περαιτέρω”, δήλωσε.
Τελικά, η παρατήρηση του εγκεφάλου σε αυτό το επίπεδο λεπτομέρειας θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν ανεπίλυτες ιατρικές καταστάσεις, σύμφωνα με τον Lichtman.
“Τι σημαίνει να κατανοήσουμε τον εγκέφαλό μας; Το καλύτερο που ίσως μπορούμε να κάνουμε είναι να τον περιγράψουμε και να ελπίζουμε ότι από αυτές τις περιγραφές θα προκύψει μια διαπίστωση, για παράδειγμα, για το πώς οι φυσιολογικοί εγκέφαλοι διαφέρουν από τους εγκεφάλους που είναι διαταραγμένοι, σε ψυχιατρικές ασθένειες ενηλίκων ή αναπτυξιακές διαταραχές όπως το φάσμα του αυτισμού – αυτού του είδους η σύγκριση θα είναι πολύ πολύτιμη”, είπε. “Τελικά, θα μας δώσει κάποια εικόνα για το τι είναι λάθος, για το οποίο, στις περισσότερες περιπτώσεις, είμαστε ακόμα στο σκοτάδι”.
Ο Lichtman πιστεύει επίσης ότι το σύνολο δεδομένων μπορεί να είναι γεμάτο με άλλες εκπληκτικές λεπτομέρειες που, λόγω του μεγέθους του, δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη: “Και γι’ αυτό το μοιραζόμαστε στο διαδίκτυο, ώστε ο καθένας να μπορεί να το κοιτάξει και να βρει πράγματα”, πρόσθεσε.
Το επόμενο βήμα της ομάδας πίσω από το έργο είναι να δημιουργήσει έναν πλήρη χάρτη του εγκεφάλου ενός ποντικιού, κάτι που θα απαιτούσε 500 έως 1.000 φορές μεγαλύτερο όγκο δεδομένων από το δείγμα του ανθρώπινου εγκεφάλου.
“Αυτό θα σήμαινε 1 exabyte, δηλαδή 1.000 petabytes”, δήλωσε ο Lichtman. “Πολλοί άνθρωποι σκέφτονται πολύ για το πώς θα το κάνουμε αυτό, και βρισκόμαστε στο πρώτο έτος μιας πενταετούς απόδειξης της αρχής. Νομίζω ότι θα ήταν μια στιγμή καμπής για τη νευροεπιστήμη, να έχουμε ένα πλήρες διάγραμμα καλωδίωσης του εγκεφάλου θηλαστικών- θα απαντούσε σε πολλά, πολλά ερωτήματα. Και φυσικά, θα αποκάλυπτε πολλά ακόμη προβλήματα, πράγματα που δεν περιμέναμε”.
Τι θα λέγατε για τη χαρτογράφηση ενός ολόκληρου ανθρώπινου εγκεφάλου; Αυτό θα ήταν άλλες 1.000 φορές μεγαλύτερο, εξήγησε ο Lichtman, πράγμα που σημαίνει ότι τα δεδομένα θα ανέρχονταν σε 1 zettabyte. Το 2016, αυτό ήταν το μέγεθος ολόκληρης της διαδικτυακής κίνησης για το έτος, σύμφωνα με τη Cisco. Προς το παρόν, είπε ο Lichtman, όχι μόνο θα ήταν δύσκολο να αποθηκευτούν ακόμη και τόσα δεδομένα, αλλά δεν θα υπήρχε κανένας δεοντολογικά αποδεκτός τρόπος να προμηθευτεί κανείς έναν παρθένο, καλά διατηρημένο ανθρώπινο εγκέφαλο.
Ανοίγοντας νέους δρόμους
Ερευνητές στον ίδιο τομέα που δεν συμμετείχαν στο έργο εξέφρασαν τον ενθουσιασμό τους όταν το CNN τους προσέγγισε για να σχολιάσουν. “Αυτή η μελέτη είναι θαυμάσια και υπάρχουν τόσα πολλά να μάθουμε από δεδομένα όπως αυτό”, δήλωσε ο Michael Bienkowski, επίκουρος καθηγητής φυσιολογίας και νευροεπιστήμης στην Ιατρική Σχολή Keck του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας.
“Πολλά από αυτά που νομίζουμε ότι καταλαβαίνουμε για τον ανθρώπινο εγκέφαλο προέρχονται από τα ζώα, αλλά έρευνες όπως αυτή είναι κρίσιμες για να αποκαλύψουμε τι πραγματικά μας κάνει ανθρώπους. Η οπτικοποίηση των νευρώνων και άλλων εγκεφαλικών κυττάρων είναι πραγματικά δύσκολη λόγω της απόλυτης πυκνότητας και πολυπλοκότητάς τους, και το τρέχον σύνολο δεδομένων δεν αποτυπώνει τις συνδέσεις μεγαλύτερης εμβέλειας”, δήλωσε ο Bienkowski.
“Από ποιες άλλες περιοχές του εγκεφάλου προέρχονται αυτές οι είσοδοι και πού πηγαίνουν οι έξοδοι μόλις φύγουν από την περιοχή; Αλλά το να βλέπεις όλους αυτούς τους διαφορετικούς τύπους κυττάρων και τις αλληλεπιδράσεις τους είναι απίστευτο και σε κάνει να εκτιμάς τι αριστούργημα αρχιτεκτονικής μας έχει δώσει η ζωή”, πρόσθεσε.
Ο Ανδρέας Τόλιας, καθηγητής οφθαλμολογίας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στην Καλιφόρνια, συμφώνησε. “Πρόκειται για μια αξιοσημείωτη τεχνική μελέτη που ανακατασκευάζει τη δομή του ανθρώπινου φλοιού σε υψηλή ανάλυση”, δήλωσε. “Ενθουσιάστηκα ιδιαίτερα με την ανακάλυψη σπάνιων αξόνων που μπορούν να σχηματίσουν έως και 50 συνάψεις. Το εύρημα αυτό είναι ενδιαφέρον και εγείρει σημαντικά ερωτήματα σχετικά με τον υπολογιστικό τους ρόλο”. Το πρόγραμμα χαρτογράφησης του εγκεφάλου ανοίγει την πόρτα για μελλοντικές έρευνες, σύμφωνα με τον νευροεπιστήμονα Olaf Sporns.
“Κάθε ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ένα τεράστιο δίκτυο δισεκατομμυρίων νευρικών κυττάρων”, δήλωσε ο Sporns, διακεκριμένος καθηγητής ψυχολογικών και εγκεφαλικών επιστημών στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα. “Αυτό το δίκτυο επιτρέπει στα κύτταρα να επικοινωνούν, σε πολύ συγκεκριμένα μοτίβα που είναι θεμελιώδη για τη μνήμη, τη σκέψη και τη συμπεριφορά. Η χαρτογράφηση αυτού του δικτύου, του ανθρώπινου connectome, είναι ζωτικής σημασίας για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος”, πρόσθεσε, σημειώνοντας ότι η μελέτη ανοίγει νέους δρόμους προς αυτόν τον σημαντικό στόχο και προσφέρει νέες συναρπαστικές ευκαιρίες για εξερεύνηση και ανακάλυψη.
