BigBrain - najdokładniejsza cyfrowa mapa mózgu w 3D 

Przygotowania

Międzynarodowy zespół neurologów pociął, sfotografował i przeanalizował mózg 65-letniej kobiety, aby stworzyć najbardziej szczegółową jak dotąd mapę ludzkiego mózgu w całej okazałości. Zaprojektowany w ten sposób atlas został nazwany BigBrain i z mikroskopijną precyzją przedstawia strukturę neuronów. Może on przyczynić się do wyjaśnienia lub nawet zredefiniowania struktury systemów obszarów mózgu – aktualne dane pochodzą bowiem z badań anatomicznych sprzed kilku dekad.

„Jakość tych map jest analogiczna do tego, co kartografowie oferowali w swoich najlepszych wersjach z XVII wieku” – powiedział David Van Essen, neurobiolog z Washington University w St. Louis w stanie Missouri, który nie brał jednak udziału w tym badaniu. Według niego nowy zestaw informacji pomoże naukowcom w łączeniu różnych typów danych, w tym ekspresji genów, aktywności nerwowej oraz właściwości neuroanatomicznych dla określonych obszarów mózgu.

Mózg składa się z heterogenicznej (niejednorodnej) sieci neuronów o różnych rozmiarach i najróżniejszych kształtach, będących gdzieś pośrodku trójkąta i koła, które to są bardziej lub mniej zagęszczone w danych obszarach. BigBrain dokładnie pokazuje różnice w rozkładzie neuronów w warstwach kory mózgowej oraz w pojedynczych regionach mózgu. Różnice te odnoszą się do poszczególnych jednostek funkcjonalnych.

Mózg ze skanera 3D

Atlas został opracowany na podstawie 7400 plasterków mózgu, z których każdy jest cieńszy od ludzkiego włosa. Przetwarzanie sekcji przez mikroskop zajęło naukowcom łącznie 1000 godzin. W tym czasie wygenerowano 1 terabajt danych. Superkomputery w Kanadzie i Niemczech przez rok nieustannie pracowały, aby przekształcić przygotowane zdjęcia w trójwymiarowe wirtualne obiekty, z uwzględnieniem każdego, nawet najmniejszego fałda dla każdego pojedynczego arkusza tkanki.

Najważniejsze w całym projekcie było dążenie do osiągnięcia jak największej dokładności. Zgodnie z opisami naukowców, ich dzieło ma rozdzielczość 20 mikrometrów – 50 razy wyższą niż w przypadku typowej, 1-milimetrowej, spotykanej w atlasach bazujących na skanach całego mózgu.

„To całkowicie zmienia naszą zdolność do rozróżniania bardzo drobnych strukturalnie i fizjologicznie właściwości ludzkiego mózgu” – powiedział współautor badania, neurolog Alan Evans z Instytutu Neurologicznego na Uniwersytecie McGill w Montrealu.

Naukowcy używali specjalnego narzędzi o nazwie mikrotom, aby pociąć ludzki mózg przechowywany w parafinie na plasterki o grubości 20 mikrometrów. Źródło: Science

Co dalej?

BigBrain jest tak naprawdę tylko częścią projektu Human Brain Project. Uruchomiona 10 lat temu europejska inicjatywa z budżetem o wysokości 1 miliarda euro ma za cel stworzenie superkomputerowej symulacji ludzkiego mózgu. „Szczegółowa znajomość grup neuronów może pomóc w ustaleniu realistycznych parametrów takiej właśnie symulacji” – skomentowała główna autorka inicjatywy, Katrin Amunts, neurolog z Uniwersytetu Heinricha Heinego w niemieckim Düsseldorfie.

Choć atlas pokazuje dane, pochodzące z mózgu jednej tylko osoby, jest to bez wątpienia ważny punkt wyjścia dla późniejszych interpretacji danych z innych mózgów. „Uzyskanie bardzo dokładnej mapy z jednego organizmu jest, moim zdaniem, bardzo cenne” – powiedział David Van Essen z Washington University w St. Louis.

Atlas BigBrain będzie teraz służył jako punkt odniesienia dla innych zestawów. Jeśli takowe zostaną przygotowane – naukowcy będą mogli analizować i porównywać poszczególne obszary mózgów większej liczby osób, co z kolei może być niezwykle wartościowym doświadczeniem dla całej medycyny. Dane z tego projektu będą również porównywane z informacjami Allen Brain Institute – instytutu, który także ma w swoich zasobach mapę mózgu, jednak o znacznie niższej rozdzielczości.

Rola Technologii

Neurolodzy biorący udział w projekcie BigBrain, pracowali nad najdokładniejszą mapą mózgu już od 2003 roku. Dopiero teraz jednak technologia stała się tak zaawansowana, że mogli oni z planów przejść do autentycznego działania. Po raz kolejny widać, jak wprowadzenie urządzeń 3D może wpłynąć na współczesny świat i przeprowadzane badania.

Warto jednak zauważyć, że choć najnowsza technologia umożliwiła naukowcom skanowanie części ludzkiego mózgu w rozdzielczości jednego mikrometra, jak dotąd nie udało się stworzyć aż tak dokładnej mapy. Dane pochodzące z takich skanów zajmują bowiem około 20 TB, z przetworzeniem czego nawet najwydajniejsze komputery mogłyby sobie dzisiaj nie poradzić.

Jak jednak mówi Sean Hill, dyrektor wykonawczy Międzynarodowej Placówki Koordynacyjnej Neuroinformatyki w Sztokholmie – „Technologia nadal rozwija się bardzo szybko”. Biorąc pod uwagę aktualną prędkość rozwoju, już wkrótce to co dzisiaj jest niemożliwe – stanie się możliwe, a neurolodzy otrzymają materiały, które jeszcze lepiej pozwolą zrozumieć ludzki mózg.

Technologia w służbie medycyny

Warto zwrócić także uwagę, że to nie pierwszy raz, kiedy technologia odgrywa ogromną rolę w medycynie. Aktualnie najpopularniejszym w tej dziedzinie urządzeniem jest drukarka 3D. W ciągu kilku ostatnich miesięcy mogliśmy już usłyszeć o fragmencie oskrzeli, miniaturowym, lecz funkcjonalnym modelu wątroby, a nawet protezie dłoni. 

To tylko pokazuje, jak rozwój jednej dziedziny nauki ma wpływ na drugą. Już wkrótce w transplantologii (i nie tylko) z pewnością będzie się korzystać z druku 3D na masową skalę. Skanery 3D z kolei będą umożliwiały prowadzenie badań na podstawie symulacji – jak właśnie w przypadku projektu BigBrain. Podobnych rozwiązań bez wątpienia jest znacznie więcej i już wkrótce może stać się o nich głośno. 

Wracając jednak do głównego tematu, Katrin Amunts zapowiedziała także, że zespół BigBrain już rozpoczął pracę nad mapowaniem „mózgu numer 2”. Opisywany model będzie natomiast dostępny za darmo – "dla dobra nauki".