Ένα έργο νανοκλίμακας αντιπροσωπεύει ένα τεράστιο άλμα προς τα εμπρός στην κατανόηση του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Με περισσότερα από 1,4 petabytes δεδομένων απεικόνισης ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, μια ομάδα επιστημόνων έχει ανακατασκευάσει ένα μικροσκοπικό κυβικό τμήμα του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Είναι μόλις ένα χιλιοστό σε κάθε πλευρά – αλλά 57.000 κύτταρα, 150 εκατομμύρια συνάψεις και 230 χιλιοστά εξαιρετικά λεπτών φλεβών είναι όλα συσκευασμένα σε αυτόν τον μικροσκοπικό χώρο.
Το έργο σχεδόν μιας δεκαετίας, είναι η μεγαλύτερη και πιο λεπτομερής αναπαραγωγή του ανθρώπινου εγκεφάλου που χρονολογείται μέχρι την ανάλυση των συνάψεων , των δομών που επιτρέπουν στους νευρώνες να μεταδίδουν σήματα μεταξύ τους.
Ο νευροεπιστήμονας Τζεφ Λίχτμαν από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ σημειώνει:: «Ένα terabyte είναι, για τους περισσότερους ανθρώπους, γιγάντιο, αλλά ένα θραύσμα ανθρώπινου εγκεφάλου – απλώς ένα μικροσκοπικό, μικροσκοπικό κομμάτι ανθρώπινου εγκεφάλου – εξακολουθεί να είναι χιλιάδες terabyte».
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι διαβόητα πολύπλοκος. Σε όλο το ζωικό βασίλειο, οι λειτουργίες που εκτελούνται από τα περισσότερα από τα ζωτικά όργανα είναι λίγο πολύ οι ίδιες, αλλά ο ανθρώπινος εγκέφαλος βρίσκεται σε μια δική του ένωση.
Είναι επίσης πολύ δύσκολο να μελετηθεί. Συμβαίνουν τόσα πολλά εκεί μέσα, σε τόσο μικροσκοπικές κλίμακες, που δεν μπορέσαμε να κατανοήσουμε λεπτομερώς το συναπτικό κύκλωμα.
Κάθε ανθρώπινος εγκέφαλος περιέχει δισεκατομμύρια νευρώνες, οι οποίοι εκπέμπουν σήματα πέρα δώθε μέσω τρισεκατομμυρίων συνάψεων, το κέντρο εντολών από το οποίο εκτελείται το ανθρώπινο σώμα.
Μια βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί αυτό το εκθαμβωτικά περίπλοκο όργανο θα προσέφερε βαθιά οφέλη στις μελέτες μας για τη λειτουργία και τις διαταραχές του εγκεφάλου, από τραυματισμό έως ψυχική ασθένεια έως άνοια.
Για το σκοπό αυτό, ο Lichtman και οι συνεργάτες του εργάζονται πάνω σε αυτό που αποκαλούν “connectome” – έναν χάρτη του εγκεφάλου και όλων των καλωδίων του που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση πότε αυτή η καλωδίωση είναι λοξή.
Ο τρέχων στόχος για το έργο Connectomics είναι η αναπαραγωγή ενός ολόκληρου εγκεφάλου ποντικιού , αλλά η χρήση παρόμοιων τεχνικών για την ανακατασκευή τουλάχιστον τμημάτων του ανθρώπινου εγκεφάλου μπορεί μόνο να προωθήσει τις γνώσεις μας πιο γρήγορα.
Η ανακατασκευή της ομάδας βασίστηκε σε ένα δείγμα ανθρώπινου εγκεφάλου που αφαιρέθηκε από έναν ασθενή με επιληψία κατά τη διάρκεια χειρουργικής επέμβασης για πρόσβαση σε μια υποκείμενη βλάβη. Το δείγμα σταθεροποιήθηκε, χρωματίστηκε με βαρέα μέταλλα για να τονιστούν οι λεπτομέρειες, ενσωματώθηκε σε ρητίνη και κόπηκε σε 5.019 φέτες, με μέσο πάχος 33,9 νανόμετρα, που συλλέγονται σε ταινία.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σειριακής τομής υψηλής απόδοσης για να απεικονίσουν αυτό το μικροσκοπικό κομμάτι ιστού με λεπτομέρεια που μουδιάζει το μυαλό, δημιουργώντας 1,4 petabyte (1.400 terabyte) δεδομένων.
Αυτά τα δεδομένα αναλύθηκαν με ειδικά αναπτυγμένες τεχνικές και αλγόριθμους, δημιουργώντας, λένε οι ερευνητές , «μια τρισδιάστατη ανακατασκευή σχεδόν κάθε κυττάρου και διεργασίας στον ευθυγραμμισμένο όγκο».
Αυτή η ανακατασκευή, που ονομάζεται H01 , έχει ήδη αποκαλύψει μερικές άγνωστες μέχρι τώρα λεπτές λεπτομέρειες για τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Η ομάδα παρατήρησε με έκπληξη ότι τα γλοία , ή τα μη νευρωνικά κύτταρα, υπερτερούσαν των νευρώνων 2:1 στο δείγμα και ο πιο κοινός τύπος κυττάρου ήταν τα ολιγοδενδροκύτταρα – κύτταρα που βοηθούν στην επικάλυψη των αξόνων στην προστατευτική μυελίνη.
Κάθε νευρώνας είχε χιλιάδες σχετικά αδύναμες συνδέσεις, αλλά οι ερευνητές βρήκαν σπάνια, ισχυρά σύνολα αξόνων που συνδέονται με 50 συνάψεις. Και βρήκαν ότι ένας μικρός αριθμός αξόνων είναι διατεταγμένοι σε ασυνήθιστους, εκτεταμένους στρόβιλους.
Επειδή το δείγμα ελήφθη από ασθενή με επιληψία, δεν είναι σαφές εάν αυτά είναι φυσιολογικά, αλλά σπάνια, χαρακτηριστικά του ανθρώπινου εγκεφάλου ή συνδέονται με τη διαταραχή του ασθενούς. Είτε έτσι είτε αλλιώς, ωστόσο, το έργο έχει αποκαλύψει το τεράστιο εύρος και το βάθος του χάσματος της κατανόησής μας για τον εγκέφαλο.
Το επόμενο βήμα στη δουλειά της ομάδας περιλαμβάνει την προσπάθεια κατανόησης μιας περιοχής του εγκεφάλου που εμπλέκεται σε μεγάλο βαθμό στη μάθηση και τη μνήμη.
Η έρευνα έχει δημοσιευθεί στο Science / photo: pixabay
