Loading...
Feb 18
Dr. Lichtman a jeho výzkumný tým na Harvardské univerzitě dokáže pomocí důmyslného zařízení nakrájet mozek pokusných myší na tenounké plátečky a pomocí elektronového mikroskopu z vysokým rozlišením tyto plátky naskenovat a z jejich obrazů znovu vrstvičku po vrstvičce postupně skládat počítačový 3D model toho, jak jsou v mozku dané myši kompletně uspořádány a pospojovány všechny neurony.  

Tato nově se rodící oblast výzkumu je nazývána konektomika z anglického connectomics a její název vychází tak trochu z předchozího úsilí vědců rozluštit lidský genom (genome – connectome). Tentokrát jde o to, zjistit, jak jsou v mozku uloženy resp. zadrátovány vzpomínky, povahové vlastnosti, dovednosti a zkušenosti, které tvoří unikátní soubor nazývaný konektom (anglicky connectome) charakteristický pro daného jedince a dané období jeho života.  

„Rodíme se s našimi geny, které se ale dále již nemění“ říká H. Sebastian Seung, profesor výpočetních neurověd na Massachusetts Institute of Technology (MIT), který pracuje na výpočetní stránce konektomiky. „Konektom je produktem našich genů a našich zkušeností“, říká ve svém TED vystoupení viz následující video, kde je možné spustit české titulky. 

Sebastian Seung představuje nový, ambiciózní model mozku zaměřující se na spojení mezi jednotlivými neurony. Nazývá jej „konektom“ a jeho jedinečnosti přikládá podobnou důležitost jako jedinečnosti lidského genomu. Porozumění konektomu by mohlo znamenat průlom v tom, jak vidíme lidskou mysl a člověka jako takového. (české titulky je možno navolit vedle tlačítka play)

Zmapování lidského konektomu je obrovská výzva a její dosažení je ještě hodně vzdáleno. I ti největší nadšenci připouštějí, že se jejich práce nemusí vyplatit. Loni v srpnu nicméně americký Národní institut zdraví rozdělil 40 miliónů dolarů mezi několik významných amerických univerzit, které spojí své úsilí v projektu zmapování lidského konektomu (The Human Connectome Project).

Od roku 1970[1] mají vědci k dispozici pouze jeden červí konektom, který obsahuje pouhých 302 neuronů. Nyní zkoušejí myš se 100 milióny neuronů. Myšlenka na vytvoření kompletního lidského konektomu se prozatím ukázala jako neúměrně složitá. Znamenalo by to totiž zmapování cca 100 miliard neuronů a rozpletení milionů kilometrů neuronových vláken. 

Jedná se v podstatě o podobnou úlohu jako kdybychom měli mísu špaget a pokoušeli se je rozmotat. Každé jednotlivé vlákno se při tom může dotýkat dalších desítek vláken, mezi kterými se proplétá. V případě mapování konektomu je vše ale o mnoho řádů menší. Vědci chtějí tyto spoje poznat na atomární úrovni.

Právě proto, že spoje v mozku jsou zadrátovány tak hustě, a že je jich takové obrovské množství, stává se sestavení konektomu jedním z nejnáročnějších úkolů, pokud jde o sběr a ukládání dat, které kdy byly řešeny.  K uložení obrázků potřebných pro složení jednomilimetrové kostičky myšího mozku bude potřeba okolo 1 patabytu (1015bytů) počítačové paměti. Pro srovnání stejný prostor zabere 40 miliard fotografií na Facebooku. 

„Svět ještě není připraven na datové soubory o miliónech petabyte, které by vyžadoval lidský mozek“, říká Dr. Lichtman, „ale bude“, dodává.

Neurovědci říkají, že konektom by jim mohl dát nesčetné příležitosti k proniknutí do podstaty mozkových funkcí a být neobyčejně užitečným ve vyšetřování duševních chorob. Mohli by například doslova porovnávat, jak se konektom pacienta liší od zapojení běžného mozku. Chirurgové by zase mohli velmi přesně propočítávat případné řezy v mozku při operacích.

„Projekt mapování konektomu také ukáže, kde je všechna bílá hmota resp. kde jsou všechna spojovací vlákna“ říká Stanley Klein, profesor optometrie a zrakových věd na Kalifornské  univerzitě v Berkeley. „Při mozkových operacích, například při léčbě epilepsie, bychom potom dokázali oddělit část bílé hmoty od šedé kůry mozkové bez toho, aby šedá kůra byla jakkoli narušena.“ Profesor Klein dále říká, že nemá pochyb, že by tento typ chirurgie neměl prospěch z výzkumu konektomu.

Jiní vědci ale pochybují, že výsledek bude odpovídat vynaloženému úsilí. Nadšencům zkoumajících konemktom vytýkají, že ve srovnání s genomickým výzkumem plýtvají financemi, které se pak nedostanou jiným smysluplnějším projektům a že riskují velké zklamání a neúspěch.

„Někteří odborníci tvrdí, že stále ještě nevíme o mozku dost na to, abychom věděli, kde hledat podstatu.“ říká Bradley Voytek, výzkumník Institutu Helen Wills Neuroscience při Kalifornské univerzitě v Berkeley. „A také argumentují, že dosud nemáme takové technologie, se kterými bychom mohli úplný konektom zmapovat v nějakém rozumném časovém rámci.

A navíc i kdyby výzkumníci byli nakrásně úspěšní, sestaví vlastně jen statický obrázek mozku jakoby zmraženého v jednom časovém okamžiku, tedy něco, co nám jen sotva ukáže, jak mozek odpovídá na různé typy podnětů.

Část vědců z celého světa včetně Stephena J. Smitha profesora neurověd ze Stanfordu a Geralda M. Rubina výzkumníka z Howard Hughes Medical Institute, se ale těmito kritickými názory nenechala odradit a vyvinula různé techniky pro mapování mozků a nervových systémů lidí i jiných bytostí.

Dr. Lichtman, profesor molekulární a buněčné biologie na Harvardu si stěžuje: „Někteří lidé mi říkají: ‘Možná ty informace ani nepotřebuješ ani ty přislíbené prostředky, možná bys to měl odložit.’ Je to otázka.“ 

Dr. Lichtman totiž hranice zkoumání konektomu posunuje tím, že se pustil se svými dalšími čtyřmi spolupracovníky do mapování celého myšího mozku v tom nejjemnějším možném měřítku.

V suterénu, kde se Lichtmanova laboratoř nachází, vědci myši připravují. Do oběhového systému jim přidávají speciální směsi, které jejich tělo přizpůsobují k pozorování elektronovým mikroskopem. Jakmile je tělo připraveno, skenování může začít.

Přístroj postavený Kennethem J. Hayworthem, jedním z výzkumníků, dokáže krájet myší mozek na plátky o šířce 29.4 nanometrů. Výzkumníci to pro představu přirovnávají k hoblování předmětu o velikosti fotbalového hřiště, kde by jeden odkrojený plátek měl tloušťku asi tak čtvrt milimetru.

Mr. Hayworth navrhl techniku, která díky povrchovému napětí umožňuje přenášet mozkové šupiny plující po miniaturní kaluži vody na čirou plastickou pásku. Zadní strana pásky pak tenkým mozkovým šupinkám zajistí jistou podporu a pevnost důležitou pro další zpracování pod elektronovým mikroskopem.

Vědci v Lichtmanově laboratoři postupují lineárně napříč celým myším mozkem, získávají jeden tenký plátek za druhým a pod elektronovým mikroskopem z nich dělají obrázky, které skládají na sebe, čímž postupně vzniká 3D model myšího mozku.

Aby bylo možné rozsáhlé větve jednotlivých neuronových axonů a dendritů snadněji sledovat a zkoumat, jak jsou propletené a zapojené, přiřazují Dr. Lichtman a jeho kolegové jednotlivým mozkovým buňkám unikátní barvy. V počítačovém prostředí je pak jednoduché tyto „psychedelické“ obrazy zvětšovat, zmenšovat, všelijak natáčet a kroutit podle libosti.
4d1226624a08518e959fx
Hrana této kostičky, která je jen drobnou součástí konektomu myšího mozku, měří pouhých několik µm. Jednotlivé neurony mají odlišné barvy. (courtesy Jeff Lichtman) 

Pro představu, proklestit se 7000 řezy myší mozkové kůry zabere výzkumníkům tři dny. „Krájení je jednoduché“, říká Dr. Lichtman, „mnohem více času utopíme v tvorbě vizuálního modelu.“

Dr. Lichtman odhaduje, že to bude trvat ještě roky, než se budeme moci podívat na kompletní myší konektom, nicméně na obzoru jsou některá technologická vylepšení, která by mohla tento čas výrazně zkrátit. Není třeba ani říkat, že lidský mozek by byl mnohem mnohem složitější a náročnější na čas.

„Doufejme, že se k otázce, jak je mozek zadrátován, vracíme znovu s větší dávkou nové energie“, říká Gary S. Lynch, známý výzkumník, pokud jde o problematiku mozku, z Kalifornské univerzity v Irvinu. „Tím, že dosud nemáme žádný pořádný plán či nákres, nemůžeme nikdy náležitě uchopit ty nejhlubší a nejbláznivější otázky, které zajímají každého neurovědce na prvním místě: Co je myšlení a vědomí?“

Konektom by nám poskytl mnohem detailnější pohled do vnitřního fungování mozku, než současné techniky založené na měření průtoku krve v jeho určitých oblastech. Vědci tvrdí, že by nám to mohlo doslova ukázat, jak jsou lidé zadrátovaní a osvětlit či objasnit, rozdíly v mozcích lidí s mentálními poruchami.

Jak dodává Mr. Kasthuri, výzkumník z Harvardu: „Bude to buď velký úspěch nebo velké varování.“

Čerpáno z článku In Pursuit of a Mind Map, Slice by Slice uveřejněného 27. prosince 2010 v internetové a 28. prosince 2010 v papírové verzi The New York Times.
[1] V originálním článku The New York Times se uvádí rok 1970 na wikipedii je však uveden rok 1986 u práce "The Structure of the Nervous System of the Nematode Caenorhabditis elegans" autorů White, J. G.; Southgate, E.; Thomson, J. N.; Brenner, S.




Mar 07
Mozek mušky octomilky (Drosophila melanogster) je složen přibližně ze 100.000 neuronů. Neuronová síť tohoto rozsahu je již dostatečně komplexní na to, aby umožňovala zajímavé vzorce chování. Muška octomilka je proto výborným kandidátem k objasnění základních principů toho, jakým způsobem mozek pracuje.

Autoři článku, který byl zveřejněn dne 6. února 2011 v Nature Methods Advance Online Publication, aplikovali k pozorování mozku octomilky techniku barevného označování známou pod pojmem Brainbow, která jim umožnila identifikovat jednotlivé neurony v mozku mušky odlišitelnými barvami. V kombinaci s genetickými identifikačními nástroji pak byli schopni vystopovat jakýsi rodový původ některých neuronů neboli jakými buněčnými liniemi ten, který neuron prošel, než se zapojil do daného neuronového okruhu. 

„Stopovali jsme motorické neurony v subesophageal ganglionu a identifikovali jsme jejich specifické cíle ve svalech sosáku. Nezávislá vizualizace rozmanitých linií nebo  neuronových projekcí nám dává šanci udělat další významné kroky na cestě k porozumění, jakými způsoby se neurony zapojují do obvodů.“, stojí v předmluvě k jejich článku.

brainbow mušky octomilky
Přibližně 2000 neuronů, které ovlivňují chování samečků mušky octomilky při námluvách
je seskupeno do mnoha linií, které jsou identifikovány odlišnými barvami pomocí techniky Brainbow.

Odkaz na původní článek: 



Sep 12
konektom
Rekonstrukce 114 bipolárních tyčovitých nervových buněk části oční sítnice u myši. Každá buňka má jinou barvu. Husté svazky jsou dendrity, rozptýlenější výběžky jsou axony. (Zdroj: Max Planck Institute for Medical Research)
mezera

Lidský mozek je nejsložitější ze všech orgánů, obsahuje miliardy neuronů se stovkami jejich výběžků a to vše je propleteno do velmi složité třírozměrné pavučiny. Mapování této rozsáhlé sítě představuje pro vědce doposud prakticky nezdolatelnou výzvu. Výzkumný tým pro lékařský výzkum z Institutu Maxe Plancka při univerzitě v Heidelbergu ale nyní vyvinul metodu pro řešení tohoto nelehkého úkolu. Skupina více než 70 studentů mapovala síť s více než 100-vkou neuronů pomocí dvou nových počítačových programů, KNOSSOS a RESCOP, což se ukázalo být rychlejší a přesnější než pomocí předchozích metod.


„Množství spojů je ale i tak ohromné a pokud bychom úkol nerozdělili mezi dostatečně velký počet lidí, neměli bychom šanci ho zvládnout“, tvrdí výzkumníci z Institutu Maxe Plancka pro lékařský výzkum v Heidelbergu Moritz Helmstaedter, Kevin L. Briggman a Winfried Denk, kterým se s podporou více než 70 studentů z Univerzity v Heidelbergu podařilo detailně zrekonstruovat síť více než 100 neuronů v oční sítnici myši. K tomuto účelu vyvinuli speciální softwarový nástroj nazvaný RESCOP, který sumarizuje výsledky několika anotátorů a vytváří celkový obraz.

K trasování jednotlivých spojení mezi neurony studenti využívají program KNOSSOS vyvinutý týmem v Heidelbergu. Není náhodou, že program byl pojmenován po legendárním paláci na Krétě, který je proslulý jako komplikovaný labyrint chodeb s tisícovkou místností různých funkcí. "Sledování spojení v mozku, je přinejmenším stejně těžké, jako najít cestu ven z mytologického labyrintu," vysvětluje Moritz Helmstaedter.


trasování neuronu
A) Trasování neuronového fragmentu, B) Schematické znázornění neuronu po procesu trasování. (Zdroj: Helmstaedter et al., 2011)

Mnoho let se zdálo nemožné detailně zrekonstruovat neuronovou síť tak komplexní, jakou je lidský mozek s minimálně 70 miliardami neuronů a stovkami tisíc kilometrů obvodů. Každý neuron je přitom propojen s asi tisícovkou dalších pomocí jemně rozvětvených výběžků tzv. dendritů a axonů a komunikuje s nimi pomocí elektrických signálů. Právě tyto spoje jsou důležité pro fungování mozku. Neurovědci proto chtějí porozumět struktuře těchto obvodů neboli tzv. konektomu a pokoušejí se sestavit jeho trojrozměrné mapy. Pro tento úkol však dosud chybí dostatečný výpočetní výkon a tak se vědci zatím musí spokojit s mapováním jen omezených částí mozku.

Aby bylo možno neuronové obvody rekonstruovat, začali vědci neurony barvit těžkými kovy, aby je zviditelnili. Začínali v těle buňky a pokračovali do dendritů a axonů, používali k tomu obrázky z trojrozměrného elektronového mikroskopu, kde označovali tzv. „branch point notes“ tedy body, ve kterých docházelo k větvení. Poté byl pomocí počítače generován trojrozměrný obraz dané sekce. Tímto způsobem byla kousek po kousku zpracována jejich cesta změtí neuronů. Pro představu jednomu člověku by se současným softwarovým vybavením trvalo nejméně 30 let zrekonstruovat cestu o délce 30cm. Kromě toho je zmíněný postup náchylný k chybám, protože místa větvení nejsou vždy snadno rozpoznatelná, a pozornost anotátora také s časem klesá.

Software KNOSSOS výrazně snižuje potřebný čas, je přibližně 50krát rychlejší než ostatní do teď používané programy. Navíc program RESCOP umožňuje, aby na rekonstrukci ve stejnou dobu pracovaly desítky lidí. Metodu snadno zvládne i lajk. Většina studentů pracuje z domova a své výsledky posílá vědcům emailem. Vědci byli schopni prokázat, že míra chyb u nejlepších studentů nebyla vyšší než u zkušených neurobiologů. Sofistikované algoritmy navíc umožňují, aby RESCOP odhaloval případné nepřesnosti, které se při mapování mohou objevit. To znamená, že rekonstrukce je nejen rychlejší, ale také spolehlivější než dříve.

Winfried Denk k tomu řekl: "Tyto nové programy nám vůbec poprvé v historii umožňují rozplést složité neuronové sítě v mozku, tedy úkol mnohem složitější než dekódování lidského genomu." Vědci dále plánují rekonstruovat fragmenty kůry mozkové u myši, protože to je místo, kde probíhají všechny důležité psychické procesy.


Prameny:



Dec 29

Podobně jako nedávné protesty na Wall Street upozornily na prohlubující se rozdíly mezi majetnými a nemajetnými, tak také výzkumníci z americké Indiana University a University v Utrechtu ve své poslední práci zdůrazňují nepřiměřený vliv tzv. "Rich Clubs" silně propojených oblastí v lidském mozku.


"Ne všechny oblasti mozku jsou si rovny," říká Olaf Sporns, profesor katedry mozkových věd a psychologie na Indiana University. "Věděli jsme, že některé oblasti mozku jsou bohatší v tom smyslu, že jsou hustěji propojené s mnoha dalšími částmi mozku, nyní se navíc ukazuje, že mezi sebou vytvářejí jakési 'bohaté kluby', které jsou vzájemně velmi silně propojeny a mezi kterými dochází k masivní výměně informací a spolupráci."


Většina z těchto oblastí se zabývá širokou škálou komplexních behaviorálních a kognitivních úkolů a pracuje již s vysoce zpracovanými daty. Případné poškození těchto oblastí má za následek mnohem závažnější dopady než dysfunkce dílčích periferních procesů, které by se projevily jen určitým oslabením funkce mozku.


Spoluautor studie Martijn van den Heuvel, který je profesorem na The Rudolf Magnus Institute of Neuroscience at University Medical Center Utrecht, přirovnal svazek těchto vlivných oblastí ke společenství G8 našeho mozku.


Studie byla zveřejněna dne 2. listopadu 2011 v prestižním časopise The Journal of Neuroscience pod názvem "Rich-Club Organization of the Human Connectome."

mezera
Brain Rich Club
Tento uzlový graf představuje síť propojení v mozku tzv. konektom. Barva jednotlivých uzlů a spojení vyjadřuje jejich zapojení do "Rich-clubs". Zelená představuje málo spojů. Červená reprezentuje nejvíce spojů. (Credit: Van den Heuvel, et al. The Journal of Neuroscience 2011)

Objev je dílčím výstupem projektu The Human Connectome Project, jehož cílem je vytvoření komplexní mapy propojení v lidském mozku, na kterém se podílí více než 70vědců a řada špičkových výzkumných pracovišť v USA. Podobné projekty jsou plánovány nebo již probíhají také v Evropě a v Asii.

Chcete, aby Server MAKROPULOS přinesl více informací o tomto objevu? Přispějte, prosím, na překlad a publikování podrobnějšího článku.
potřebná částka: 1240,- Kč
přislíbeno: 0,- Kč
přijato: 0,- Kč
zbývá: 1240,- Kč

Po kliknutí na toto tlačítko budete vyzváni ke specifikaci výše poskytnuté částky a zda žádáte potvrzení nebo smlouvu o poskytnutí daru, či smlouvu o reklamě.


Poskytnete-li celou potřebnou částku, získáváte nárok na uvedení vašeho jména nebo názvu vaší firmy v úvodu článku formou poděkování nebo umístění loga či reklamního banneru vaší firmy.


Podrobnější článek případně můžete vytvořit sami na základě níže uvedených podkladů. Pro publikování na Serveru MAKROPULOS je pak potřeba se přihlásit nebo nás kontaktovat.