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.




Apr 12
Paul G. Allen společně s Billem Gatesem založili v roce 1975 firmu Microsoft. V 80-tých létech úspěšně bojoval s nádorovým onemocněním. Poté se stává významným filantropem. Založil a podporuje několik muzeí: muzeum věnované hudbě a populární kultuře, muzeum letadel z druhé světové války a muzeum historických počítačů. Jeho filmová společnost Vulcan Productions vytvořila řadu oceněných vzdělávacích a dokumentárních filmů. Allenovo investiční portfolio zahrnuje významnou realitní přestavbu na jihu Seattlu Lake, dále podíly v desítkách technologických, mediálních a dalších společnostech jako například Portland Trail Blazers, Seattle Seahawks a Seattle Sounders FC. V roce 2011 oznámil založení společnosti Stratolaunch Systems, která staví revoluční vzdušný odpalovací systém pro kosmické lodě. Ve stejném roce vyšla také jeho monografie pod názvem "Idea Man", která se stala bestsellerem. Pro více informací o Paulu Allenovi můžete navštívit jeho web na www.paulallen.com.
 
Spoluzakladatel Microsoftu Paul Allen oznámil svůj úmysl podpořit výzkum mozku grandiózní částkou 300 miliónů amerických dolarů, které hodlá vložit do po něm pojmenovaném The Allen Institute for Brain Science na financování nových projektů v oblasti mapování a zkoumání lidského mozku, podle jeho vlastních slov proto, "abychom jednoho dne pochopili podstatu toho, co nás dělá lidmi." Tento počin tak zvyšuje celkovou výši, kterou do institutu již investoval, na neuvěřitelných 500 milionů dolarů.
Zpráva byla zveřejněna na nedávné tiskové konferenci Allenova institutu v Seattlu. Allan Jones, CEO institutu a Christof Koch, ředitel pro vědu, zde zároveň oznámili ambiciózní 10-tiletý plán pro řešení nejsložitějších otázek ve výzkumu mozku, který mj. zahrnuje optogenetiku (hluboká stimulace mozku pomocí světla), konektomiku (studium toho, jak je mozek uvnitř 'zadrátován') a pozorování dění v mozku v reálném čase.
Paul Allen odstartoval činnost institutu pro výzkum mozku v roce 2003 počátečním vkladem ve výši 100 miliónů dolarů. Impulsem pro toto rozhodnutí byla jeho osobní zkušenost se zákeřným neurodegenerativním onemocněním. V roce 2002 hostil na své obří jachtě více než dvacet významných vědců. Z jejich brainstormingu vzešly první obrysy projektu. Nicméně definitivní rozhodnutí přišlo až v následujícím roce, kdy byla jeho matce diagnostikována Alzheimerova choroba. "Viděl jsem zblízka hrůzy Alzheimera, byl jsem zničený," řekl tehdy médiím. "Pokud existuje něco, co bych mohl udělat, abych ušetřil ostatním podobný osud, byl jsem rozhodnutý to zkusit."
Svůj příspěvek pak později navýšil o dalších 100 miliónů dolarů na základě úspěšného dokončení detailního atlasu mozku myši a především jeho kladným přijetím vědeckou komunitou. Dohromady s jeho posledním příslibem tak činí jeho celková investice neuvěřitelných 500 miliónů dolarů, což je dosud nejvyšší filantropický počin v historii neurověd.
On sám se úspěšně vyléčil z nádorového onemocnění mízních uzlin označovaného jako Hodgkinův lymfom, který mu byl diagnostikován, když mu bylo sotva 30 let. Od té doby se držel od Microsoftu poněkud v ústraní i když oficiálně na své funkce ve vedení firmy rezignoval až v roce 2000.
Allenův nejnovější příspěvek pokryje první čtyři roky zmiňovaného 10-tiletého plánu institutu, který počítá s rozběhnutím tří nových a doplňkových výzkumných iniciativ věnujících se rozhodujícím otázkám, které jsou zásadní pro porozumění tomu, jak mozek funguje:
  • Jak mozek ukládá, kóduje a zpracovává informace?
  • Jaké jsou základní buněčné stavební bloky, které vytvářejí všechny mozkové funkce a které jsou často terčem mozkových chorob?
  • Jak se tyto buňky vyvíjejí a jak vytvářejí obvody, které řídí chování, myšlení a mozkové dysfunkce?
Tyto tři doplňující se iniciativy jsou určeny k získání znalostí o základních principech regulujících mozkové funkce a poskytnutí nových nástrojů a technologií, které budou dále urychlovat pokrok v rámci globálního výzkumu.
Allen si nečiní nároky na sbírání duševního vlastnictví. Jeho cílem je dělat otevřenou vědu v průmyslovém měřítku. Jeho institut již dříve vyvinul nákladem přibližně 55mil. dolarů dosud nejpodrobnější mapy lidského mozku, které v dubnu 2011 zpřístupnil ostatním vědcům. Podle jejich vlastního vyjádření je každý měsíc využívá až 55tisíc vědců.
Ředitel institutu Allan Jones ve svém vystoupení na tiskovce mj. uvedl: "Díky Allenově velkorysosti a odvážné vizi, jsme mohli vybudovat unikátní organizaci s pokročilým výzkumem způsobem, který by jinak nebyl možný. Tato nová finanční injekce nám umožní aplikovat v průmyslovém měřítku náš strukturovaný přístup k vědě, na řešení stále složitějších otázek o tom, jak mozek funguje. Otázek, které musí být zodpovězeny, chceme-li pochopit a léčit autismus, Alzheimerovu chorobu, deprese, traumatická poranění mozku a nesčetné další choroby a poruchy k němu se vážící, které nás všechny ať už přímo nebo nepřímo zužují."
Allenův institut se na podporu nových iniciativ značně rozroste. Plánuje zdvojnásobení počtu zaměstnanců na více než 350. Uvedené výzkumné programy vyžadují týmy složené z předních 'mozků' na všech úrovních napříč různými vědními disciplínami, aby spojili své odborné znalosti a pracovali směrem k dosažení společných cílů. Hledání a najímání takových odborníků právě probíhá.
Henry Markram
Allen Mouse Brain Atlas mapuje velmi detailně biochemii dvou mozků dospělých lidí a stejně jako Allen Mouse Brain Atlas, který zase mapuje mozek myši, se snaží spojit genomiku s neuroanatomií vytvořením map genové exprese. Data jsou veřejně přístupná na www.brain-map.org.
Institut již do svého silného týmu stihnul zlákat několik renomovaných vědeckých lídrů, kteří budou úzce spolupracovat a popohánět tvůrčí objevování, inovace a produktivitu k dosažení cílů nových iniciativ. Christof Koch z Caltechu nastoupil jako vědecký ředitel již v roce 2011. R. Clay Reid z Harvard Medical School a Ricardo Dolmetsch ze Stanford University se v následujících měsících připojí k týmu, který vede Hongkui Zeng. Tento tým má na starosti projekt Allen Mouse Brain Connectivity Atlas, který již využívá stávající veřejné datové sady ke klasifikaci různých buněčných populací.
Dr. Reid a Dr. Dolmetsch přispějí svými odbornými znalostmi v oblasti neurálního kódování a buněčných sítí k multidisciplinární konverzaci s Dr. Zengem a Dr. Kochem, který je dobře známý pro své zkušenosti s integrováním výsledků z různých oborů neurověd a jejich interpretaci pro porozumění komplexnosti výpočtů a funkcí mozku.
"Průkopnický přístup Allenova institutu ve způsobu řízení tzv. 'velké vědy', výrazně mění dosavadní praktiky v neurovědách," řekl Susumu Tonegawa, laureát Nobelovy ceny a ředitel RIKEN-MIT Center for Neural Circuit Genetics, které je součástí Picower Institute for Learning and Memory na Massachusetts Institute of Technology. "Od vyhotovení detailních atlasů mozků myši a člověka až po tuto nejnovější práci v oblasti neurálního kódování a obvodů klestí Allenův institut cestu vědcům z celého světa k pochopení a léčbě mozkových postižení, která by jinak trvala ještě desítky let," dodal Tonegawa.
Lze očekávat, že takto drahý projekt bude mít také své kritiky, kteří budou tvrdit, že by se uvedené zdroje mohly využít efektivněji ve stovkách jiných projektů. Christof Koch a Clay Reid těmto kritikům předem vzkazují, že grantové agentury již utratily miliardy dolarů na mnoha menších projektech ve všech oblastech biomedicínského výzkumu a Allenův institut chce nyní prosadit nový přístup. "Chceme pochopit jeden kus mozkové tkáně spíše tím, že integrujeme znalosti napříč všemi technikami a měřítky, než v širokém rozmělňování finančních prostředků v menších projektech."
Ed Boyden, přidružený profesor na MIT Media Lab, který je jedním z průkopníků v oblasti optogenetiky, tento postoj zopakoval ve svém vyjádření v diskusi na facebooku: "Allenův institut sestavuje neobyčejnou sadu nástrojů pro řešení mozkových obvodů vertikální integrací mnoha součástí ke zkoumání toho, jak všechny dohromady pracují. Je nemožné, aby všechny tyto kousky dohromady poskládaly běžné laboratorní skupiny."
Prohlášení Paula Allena z tiskové konference 23. března 2012 v Seattlu přináší následující video, které jsme vybavily českými titulky. Záznam celé tiskové konference je k dispozici na stránkách institutu www.alleninstitute.org nebo zde.
O Allenově institutu pro výzkum mozku
Allenův institut pro výzkum mozku anglicky The Allen Institute for Brain Science je nezávislá nezisková výzkumná organizace věnující se urychlování porozumění lidskému mozku podporou širší vědecké komunity. Díky produktově orientovanému přístupu vytváří Allenův institut inovativní veřejné zdroje využívané výzkumnými pracovníky a organizacemi po celém světě. Institut kromě toho popohání technologický a analytický pokrok tím, že vytváří nové znalosti a přináší nové způsoby řešení otázek o mozku ve zdraví a nemoci. Institut začal fungovat v roce 2003 s počátečním kapitálem ve výši 100 miliónů dolarů od filantropa Paula Allena. Institut je dále podporován nejrůznějšími veřejnými a soukromými finančními zdroji. Datové nástroje Allenova institutu jsou veřejně dostupné na internetové adrese www.brain-map.org.
Doufáme, že Paul Allen svým příkladem strhne k podpoře výzkumu mozku i další sponzory a to nejen v zámoří ale i v naší české kotlině. Drobným příspěvkem můžete pomoci i vy tím, že podpoříte provoz našeho serveru.