Απλοί άνθρωποι μπορούν να βοηθήσουν στο έργο των νευροεπιστημών

Οι νευροεπιστήμες προσπαθούν να καταλάβουν πως λειτουργεί ο εγκέφαλος. Το πρόβλημα δημιουργείται με τον τεράστιο όγκο δεδομένων που υπάρχει, που συνέχεια μεγαλώνει αφού οι ερευνητές δεν σταματούν να παράγουν νέα δεδομένα.

Και η ερώτηση είναι: μέσα σε όλα αυτά, πως θα καταφέρουν να βγάλουν μία άκρη;

Σε μία έρευνα χρησιμοποίησαν δεδομένα από μαγνητικές απεικονίσεις – functional magnetic resonance imaging (fMRI) για να παράξουν τον λεπτομερέστερο χάρτη του ανθρώπινου εγκεφαλικού φλοιού μέχρι σήμερα.

 

 

Οι ερευνητές μελέτησαν δεδομένα από τους εγκεφάλους 210 ανθρώπων, και υπολόγισαν ότι αντιστοιχούσαν κάπου στα 30 gigabytes στον καθένα. Κάτι που σημαίνει ότι πάνω από 6 terabytes δεδομένων χρησιμοποιήθηκαν για την δημιουργία του χάρτη. Και αυτά ήταν μόνο για ένα μεγάλο τμήμα του φλοιού και όχι όλο τον εγκέφαλο.

Στην μελέτη αυτή χρησιμοποίησαν δεδομένα από το human connectome project, ένα εγχείρημα που παρέχει δεδομένα από μαγνητικές τομογραφίες MRI και positron emission tomography (PET) σε ερευνητές.

Η δουλειά αυτή ρίχνει φως στο πως δουλεύει ένας υγιής εγκέφαλος και ένας που πάσχει από μία ασθένεια. Το αρνητικό της υπόθεσης είναι ότι ακόμα και με το τεράστιο όγκο δεδομένων, οι ερευνητές μπορούν να προσημειώσουν μία περιοχή του εγκεφάλου μόνο και όχι όλους τους νευρώνες ξεχωριστά μέσα σε αυτές τις περιοχές.

Για να γίνει απεικόνιση του κάθε μεμονωμένου νευρώνα και να γίνει κατανοητή η μεταξύ τους σύνδεση, θα πρέπει κανείς να μεταφερθεί σε μικροσκοπικό επίπεδο με την βοήθεια ενός μικροσκοπίου.

Καλύτερες προσεγγίσεις με την βοήθεια μικρότερων εγκεφάλων

Τα ποντίκια και οι αρουραίοι ανήκουν στα θηλαστικά και έχουν παρόμοιες εγκεφαλικές δομές με αυτές των ανθρώπων, μόνο που οι εγκέφαλοι τους είναι μικρότεροι. Το ευρωπαϊκό Blue Brain Project εξερευνά την δραστηριότητα και τους συνδέσμους των εγκεφάλων των τρωκτικών και στοχεύει στην δημιουργία μιας υπολογιστικής αναπαράστασης του ανθρώπινου εγκεφάλου. Σχεδιάζουν να το καταφέρουν χρησιμοποιώντας προηγμένες μαθηματικές τεχνικές και με την βοήθεια του υπερυπολογιστή Blue Gene supercomputer της IBM.

Μία αντίστοιχη προσπάθεια μας έρχεται από το Allen Institute for Brain Science, που ονομάζεται Allen BRAIN Initiative. Ξεκίνησε το 2016 και σκοπός του είναι η δημιουργία γενετικών και δομικών χαρτών του εγκεφάλου του ποντικιού ενσωματώνοντας δεδομένα μορφολογικά (σχήμα), γενετικά και δεδομένα της ηλεκτρικής δραστηριότητας από το κάθε κύτταρο. Με αυτό ευελπιστούν να κατηγοριοποιήσουν όλους τους νευρώνες και να δημιουργήσουν ένα χάρτη των λειτουργιών των νευρώνων και το πως συνδέονται μεταξύ τους, που ονομάζεται connectome.

Η προσέγγιση τους περιλαμβάνει τον συνδυασμό πολλών ειδικοτήτων. Όπως εξηγεί ο Alex Henry από το Allen Institute, η διαδικασία ξεκινά με τον τεμαχισμό του εγκεφάλου σε πολύ λεπτές στρώσεις, των 350 μικρόμετρων, οι οποίες οξυγονώνονται σε ειδικό θάλαμο πριν περάσουν στο επόμενο στάδιο που η ομάδα ηλεκτροφυσιολογίας ερευνά την ηλεκτρική δραστηριότητα των νευρώνων του οπτικού φλοιού.

Στην συνέχεια τα κύτταρα χρωματίζονται με μία ειδική ουσία που ονομάζεται βιοκυτίνη (biocytin) που γεμίζει ολόκληρο το κύτταρο. Τα χρωματισμένα κύτταρα έπειτα απεικονίζονται με μεγέθυνση τάξης 63x με την χρήση μικροσκοπίων brightfield. Αυτές οι τρισδιάστατες απεικονίσεις μπορεί να φτάσουν και τα 100 gigabytes σε μέγεθος, και όλο αυτό μόνο για ένα νευρώνα.

Όταν αυτά τα αρχεία καταλήξουν στο γραφείο του Alex Henry τότε η δουλειά του είναι να αναδημιουργήσει την μορφολογία, ή το σχήμα, των νευρώνων στον τρισδιάστατο χώρο. Για να το καταφέρει αυτό, χρησιμοποιεί το πρόγραμμα Vaa3D και την διεπαφή Mozak ώστε να ανακατασκευάσει την μορφολογία των νευρώνων.

Mozak: η επίλυση των προβλημάτων των νευροεπιστημών από απλούς ανθρώπους

Mozak σημαίνει “εγκέφαλος” στις σλαβικές γλώσσες, και είναι επίσης και ένα δωρεάν, διασκεδαστικό και ευχάριστο βιντεοπαιχνίδι που ανέπτυξε η ομάδα του Centre for Game Science του University of Washington. Οι παίκτες ιχνογραφούν τις νευρωνικές προβολές στον τρισδιάστατο χώρο και βαθμολογούνται σύμφωνα με την ακρίβεια τους.

Όπως εξήγησε ο καθηγητής Zoran Popovic, τα υπολογιστικά μικροσκόπια παράγουν όλο και μεγαλύτερο όγκο νευρολογικών δεδομένων, και αυτά δεν ανακατασκευάζονται με ανάλογη ταχύτητα. Αυτό δημιουργεί συμφόρηση στην πρόοδο των στόχων των νευροεπιστημών, ειδικά στην κατηγοριοποίηση των νευρώνων που είναι ένας από τους πιο σημαντικούς στόχους του Allen Institute’s Brain Initiative.

Ένας τρόπος για να ξεπεραστεί η συμφόρηση είναι να χρησιμοποιήσουν την δύναμη των ανθρώπων, του κοινού. Κάνοντας τους καθημερινούς ανθρώπους νευροεπιστήμονες, ο αριθμός των νευρώνων που απεικονίζονται αυξάνεται δραστικά. Τέτοιες παρόμοιες πρωτοβουλίες έχουν στεφθεί με επιτυχία στο παρελθόν, όπως η προσπάθεια του Sebastien Seung, Eyewire, που με την βοήθεια των πολιτών κατέληξε στην δημιουργία ενός τρισδιάστατου μοντέλου ενός μεγάλου τμήματος του αμφιβληστροειδούς ιστού.

Το video δείχνει την ανακατασκευή 950 νευρώνων του αμφιβληστροειδούς ενός ποντικιού. Κάθε χρώμα αντιπροσωπεύει έναν νευρώνα.
Credit: Max Plank Institutes for Medical Research, Heidelberg.

 

Το Mozak διευκολύνει την διαδικασία ανακατασκευής ολοκληρων νευρώνων σε τρισδιάστατο χώρο και ενημερώνει τον χρήστη για το πόσο σωστά κάνει την χαρτογράφηση των νευρώνων. Ο αλγόριθμος που βρίσκεται στο παρασκήνιο, βαθμολογεί κάθε ανακατασκευή των νευρώνων από τον κάθε χρήστη. Έτσι η τελική εικόνα είναι αποτέλεσμα της δουλειάς τουλάχιστον 5 ανθρώπων.

Όπως μας εξηγεί ο Zoran Popovic, σε ένα εργαστήριο κάποιος μεταδιδακτορικός θα κάνει την αντίστοιχη ανακατασκευή. Με τον παραπάνω τρόπο όμως ξεπερνούν την μονομερή απεικόνιση και χρησιμοποιούν την συλλογική προσπάθεια διάφορων ανθρώπων, που ύστερα αξιολογείται από τους ειδικούς του Allen Institute.

Το Mozak έχει συμβάλει στην επίλυση της ανακατασκευής ενός σεβαστού αριθμού νευρώνων για το BRAIN Initiative, κάτι που επιβεβαιώνει και ο Alex Henry. Σε αυτά τα κύτταρα περιλαμβάνονται και ηλεκτροφυσιολογικά δεδομένα, και αποτελούν μία πολύτιμη πηγή για τους νευροεπιστήμονες ανά τον κόσμο. (celltypes.brain-map.org)

Τι επιφυλάσσει το μέλλον;

Οι προσδοκίες του Zoran Popovic για την ενέργεια αυτή, δεν είναι αβάσιμες. Ο ίδιος είχε ηγηθεί του προγράμματος Foldit, στο οποίο καλούσαν το κοινό για την ανάλυση της δομής πολύπλοκων πρωτεϊνών. Ένα πρόγραμμα που είχε πολύ μεγάλο αντίκτυπο στον τομέα της βιοχημείας.

Αν οι απλοί άνθρωποι δεχτούν αυτή την πρόκληση και ασχοληθούν με την μορφολογία των νευρώνων μέσω του Mozak, θα ξεπεραστεί η συμφόρηση που εξηγήσαμε παραπάνω, και θα βρεθούμε πιο κοντά στο να έχουμε στοιχεία για τους 86 δισεκατομμύρια νευρώνες του εγκεφάλου. Και όπως επισημαίνει ο Zoran Popovic, αυτό θα οδηγήσει στην καλύτερη κατανόηση της κατηγοριοποίησης των νευρώνων, και κατ’ επέκταση στην κατανόηση των παθήσεων του εγκεφάλου και στην ανακάλυψη και ανάπτυξη καινούριων φαρμάκων.

 

Πηγή

www.technologynetworks.com

Μοιραστείτε το άρθρο