211service.com
Smadzeņu elektroinstalācijas shēma
Jaunās tehnoloģijas, kas ļauj zinātniekiem precīzāk nekā jebkad agrāk izsekot smadzeņu smalkajai elektroinstalācijai, drīzumā varētu izveidot pilnīgu smadzeņu gabala elektroinstalācijas shēmu, tostarp katru mazāko šķiedru un nelielu savienojumu. Šīs kartes, kas nodēvētas par konnekomiku, varētu atklāt, kā neironu tīkli veic savas precīzās funkcijas smadzenēs, un tās varētu izgaismot traucējumus, kas, domājams, izriet no bojāta elektroinstalācijas, piemēram, autismu un šizofrēniju.
Aksonu analīze: Zinātnieki izstrādā jaunus veidus, kā pētīt smadzenēs esošo neironu tīklu. Šajā attēlā redzama truša tīklenes daļēja rekonstrukcija. Neironu projekcijas, kas savieno neironu ar neironu, ir marķētas dažādās krāsās.
Smadzenes būtībā ir dators, kas attīstības laikā pieslēdzas vadiem un var sevi pārslēgt, saka Seung Seung , MIT skaitļošanas neirozinātnieks. Ja mums ir smadzeņu elektroinstalācijas shēma, tas varētu mums palīdzēt saprast, kā tas darbojas. Piemēram, zinātnieki iepriekš identificēja dziedātājputna smadzeņu daļu, kas ir svarīga putnu spējai radīt dziesmas. Seung galu galā vēlētos izstrādāt šīs struktūras elektroinstalācijas shēmu, lai noskaidrotu funkcijas, kas ir tās unikālo iespēju pamatā.
Pašlaik pastāv tikai viena organisma elektroinstalācijas shēma: mikroskopiskā tārpa C. elegans . Neskatoties uz to, ka tajā ir tikai 302 neironi, C. elegans 70. gados kartēšanas darbs ilga vairāk nekā desmit gadus. Tas ir bijis nenovērtējams pētniecības resurss un nopelnījis tā radītājiem Nobela prēmiju.
Tā kā cilvēka smadzenēs ir aptuveni 100 miljardi neironu un 100 triljoni sinapses, visaptverošas kartes izveidošana pat ar nelielu gabalu ir biedējošs uzdevums. Izmantojot standarta metodes, vienas garozas kolonnas, šauras garozas neironu funkcionālās vienības, elektroinstalācijas shēmas ģenerēšanai būtu nepieciešami aptuveni trīs miljardi cilvēku gadu. Vinfrīds Denks , neirozinātnieks Maksa Planka Medicīnas pētījumu institūtā Heidelbergā, Vācijā.
Multivide
Skatieties truša tīklenes gabala 3D rekonstrukciju.
Denks, Seungs un viņu līdzstrādnieki tagad izstrādā jaunas jutīgas attēlveidošanas metodes un mašīnmācības algoritmus, lai automatizētu būvniecības procesu. Viņi jau ir izveidojuši daļēju truša tīklenes daļas elektroinstalācijas shēmu. Bet viņiem būs jāpadara miljons reižu ātrāka tehnika, lai beidzot ieviestu lielākas kartes, piemēram, kortikālo kolonnu, realitātes valstībā.
Iepriekšējie centieni kartēt smadzeņu elektroinstalāciju ir vērsti uz lielākām anatomiskām iezīmēm, piemēram, bieziem vadu traktiem, kas savieno dažādas smadzeņu daļas, vai atsevišķu neironu ceļiem, kas iekrāsoti noteiktā krāsā, lai atšķirtu tos no to samezglotā daudzuma. kaimiņiem. Bet, lai patiesi saprastu, kā neironu tīkls var veikt noteiktu funkciju, zinātniekiem ir nepieciešama jauna veida karte. Daudzas smadzeņu funkcijas īpašības ir ķēdes līmenī - informācija tiek integrēta, apstrādāta, iegūta, saka Ellija Nedivija , MIT neirozinātnieks, kurš nav iesaistīts pētniecībā. Lai saprastu, ko tas nozīmē, jums ir jāspēj redzēt, kurš ar kuru savienojas.
Denks un viņa kolēģi izstrādāja jaunu paņēmienu, lai, izmantojot elektronu mikroskopiju, izveidotu smalkāka mēroga elektroinstalācijas kartes. Sākot ar nelielu smadzeņu audu bloku, pētnieki atlec elektronus no bloka augšdaļas, lai radītu nervu šķiedru šķērsgriezuma attēlu šajā šķēlē. Pēc tam viņi noņem ļoti plānu – 30 nanometru – šķēli no bloka augšdaļas un atkārto procesu. Zinātnieki izpēta attēlus pa šķēlei, lai izsekotu katras nervu šķiedras ceļam. Atkārtojiet šo [procesu] tūkstošiem reižu, un jūs varat iziet cauri, iespējams, visām mušas smadzenēm, saka Denks.
Seungs un Denks cenšas ievērojami paātrināt izsekošanas procesu, kura pabeigšanai nepieciešamas viena absolventa nedēļas, izmantojot automatizētus mašīnmācīšanās algoritmus. Pētnieki izmanto datus no manuāli ģenerētas elektroinstalācijas shēmas, lai apmācītu mākslīgo neironu tīklu, lai līdzinātos cilvēka izsekošanas procesam. Pēc tam viņi var izmantot iegūto algoritmu, lai analizētu jaunus smadzeņu audu gabalus. Līdz šim viņi ir spējuši paātrināt procesu aptuveni simts līdz tūkstoš reižu.
Pētnieki iepazīstināja ar saviem sākotnējiem atklājumiem satriecošajam pūlim Neirozinātņu biedrība tikšanās Sandjego šā mēneša sākumā. Viņi parādīja truša tīklenes daļas trīsdimensiju rekonstrukciju, ko sauc par iekšējo plexiform slāni, kas ir nervu audu gabals acs aizmugurē, kas uztver gaismu un nosūta vizuālo informāciju smadzenēm. (Skatiet filmu par rekonstrukciju šeit.) Taču mums ir jāuzlabo 106 vai vairāk reizes, saka Denks, kurš lēš, ka tādējādi tiktu samazināti trīs miljardi cilvēku gadu, kas būtu nepieciešami garozas kolonnas izsekošanai, līdz aptuveni diviem gadiem. Esmu pārliecināts, ka galu galā mēs to spēsim, viņš saka. Bet es nezinu, cik ilgi tas mums prasīs — ja mums paveiksies, varbūt gadu vai vairāk.
Šā mēneša sākumā Hārvardas zinātnieki aprakstīja jaunu metodi neironu izsekošanai dzīvās smadzenēs, marķējot tos ar līdz pat simts dažādām krāsām. (Skatiet The Technicolor Brain.) Mēs sākam domāt par elektroinstalācijas shēmām kā būtiskām, saka Džefs Lihtmens, viens no pētniekiem, kas izstrādāja šo tehniku.
Pētnieki saka, ka abas pieejas, iespējams, papildinās viens otru, ļaujot zinātniekiem aplūkot dažādu dimensiju neironu ķēdes. Galu galā Seungs cenšas ģenerēt visa muša savienojuma kartes, kā arī daļējas elektroinstalācijas shēmas interesantām vietām lielākās smadzenēs, piemēram, hipokampā, ožas spuldzē un tīklenē.
Tas, cik daudz gaismas šīs kartes radīs smadzenēm, joprojām ir diezgan strīdīgs jautājums. Tikai zinot [vadu] datus, mēs netiksim tālu, ja mēs tos neiekļausim datu apstrādes un pārsūtīšanas ietvaros smadzenēs, saka. Deivids van Esens , neirozinātnieks Vašingtonas Universitātē Sentluisā un Neirozinātņu biedrības prezidents. Seungs un citi galu galā cer izveidot kartes, kurās elektroinstalācijas shēmās ir iekļautas dažādu šūnu bioķīmiskās un fizioloģiskās īpašības.