Et kort over en del af en musens hjerne, som forventes at være generaliserbar for mennesker, kan hjælpe forskere med at forstå adfærd, bevidsthed og endda hvad det betyder at være menneske
En kunstnerisk repræsentation af mere end 1000 celler fra et hjernekort, med hver neuron en anden farve
Det største og mest omfattende 3D -kort over en pattedyrshjerne til dato giver en hidtil uset indsigt i, hvordan neuroner forbinder og fungerer. Det nye kort, der fanger en kubisk millimeter af en muses visuelle cortex, vil give forskere mulighed for at studere hjernefunktion i ekstraordinære detaljer, hvilket potentielt afslører afgørende indsigt i, hvordan neurale aktivitet former adfærd, hvor komplekse træk som bevidsthed opstår, og endda hvad det betyder at være menneskelig.
”Vores adfærd opstår i sidste ende fra aktivitet i hjernen, og hjernevæv deler meget ens egenskaber hos alle pattedyr,” siger teammedlem Forrest Collman ved Allen Institute for Brain Science i Seattle. ”Dette er en af grundene til, at vi mener, at indsigt om musen cortex kan generalisere til mennesker.”
Præstationen – noget, som biolog Francis Crick sagde i 1979 var “umulig” – tog syv år at gennemføre og involverede 150 forskere fra tre institutioner. Det begyndte med et team, der registrerede neurale aktiviteter fra en del af en muses visuelle cortex, det var ikke større end et sandkorn, da det så film og YouTube -klip.
Dernæst dissekerede en anden gruppe den samme hjerneområde, der opdelte den i lag 1/400. Bredden af et menneskehår og tog billeder af hver skive. På grund af strukturens sarte karakter kunne skiverprocessen ikke stoppes længe, så holdet tog skift. ”Vi tilbragte 12 dage og 12 nætter med at snakke denne millimeter terning af væv i næsten 30.000 lag,” siger teammedlem Nuno da Costa, også på Allen Institute.
Derfra brugte et tredje hold AI til at spore alle celler og rekonstruere hver skive til et 3D -kort. ”Det var som at bede AI om at lave verdens hårdeste farvelægning,” siger Collman. ”Du har 100 millioner billeder i tre dimensioner, og hver eneste celle skal blive farvet med en anden farveblyant. AI skal beslutte, hvor den ene celle starter, og den næste stopper.”
Disse data blev endelig kombineret med den funktionelle aktivitet, der blev registreret i starten af projektet, så hvad musen så kunne knyttes til den tilsvarende aktivitet i hjernen. Det resulterende kort illustrerer den svimlende kompleksitet af hjernen. På trods af sin mindskende størrelse indeholdt den mere end 200.000 celler med 4 kilometer grene mellem dem, og 523 millioner synapser, der forbandt cellerne sammen.
Dataene er allerede udfordrende antagelser om, hvordan neuroner kommunikerer, og afslører, at de ikke kun er målrettet mod celler i nærheden, men aktivt jager andre celler, der er dedikeret til at behandle de samme visuelle stimuli.
Forskerne håber, at deres kort vil bygge bro over nogle af hullerne i viden mellem neurale aktiviteter og adfærd, hvilket til sidst hjælper med at afsløre komplekse træk som intelligens. ”Det er banebrydende arbejde, der vil være uvurderligt for det videnskabelige samfund,” siger Nathalie Rochefort ved University of Edinburgh, UK.
Ud over sine øjeblikkelige anvendelser siger Da Costa, at vi måske endda kan teste teorier om bevidsthed. ”Hvis nogen har en teori om bevidsthed, kan de muligvis stille spørgsmål til disse data, som derefter kunne understøtte deres teori eller afvise dem.”
Arbejdet bygger på en anden undersøgelse, der blev offentliggjort sidste år, der kortlagde enhver neuron i den voksne Fly -hjerne – et gennembrud, der allerede har revolutioneret marken, siger Rochefort. For eksempel har det hjulpet forskere med bedre at forstå de døgnrytmer, der påvirker alt fra søvn til stofskifte.
Hun siger, at dette nye kort vil være uvurderligt, hvilket giver forskere mulighed for at sammenligne mellem det og andre kort over forskellige arter for at undersøge, hvilke celler, ledningsprincipper og funktionelle egenskaber er specifikke for en art eller konserveret på tværs af flere af dem, “i sidste ende kaster lys over det, der gør os til mennesker”.
Projektet offentliggøres i en serie af otte papirer i Nature Journals.