Forscher haben einen winzigen Ausschnitt des menschlichen Gehirns in beispiellosem Maßstab kartiert und dabei jede Gehirnzelle oder jedes Neuron sowie die komplexen Netzwerke, die es mit anderen Zellen bildet, detailliert beschrieben.
Die bahnbrechende Gehirnkarte, die von Forschern der Harvard University und Google erstellt wurde, zeigt fast 57.000 Neuronen, 9 Zoll (230 mm) Blutgefäße und 150 Millionen Synapsen oder Verbindungspunkte zwischen Neuronen.
Dr. Jeff LichtmanDer Harvard-Professor für Molekular- und Zellbiologie, der das zehnjährige Projekt mitleitete, sagte, er könne die detaillierte Karte nicht glauben, als er sie zum ersten Mal sah. „So etwas habe ich noch nie zuvor gesehen“, sagte er gegenüber WordsSideKick.com.
Das menschliche Gehirn ist ein ziemlich komplexes Organ Etwa 170 Milliarden Zellen, davon 86 Milliarden Neuronen. Forscher haben zuvor mithilfe der Magnetresonanztomographie (MRT) einen Blick auf das Gehirn im Millimeterbereich geworfen. In jüngerer Zeit haben fortschrittliche Mikroskopietechniken Details in viel kleinerem Maßstab enthüllt und so unser Verständnis der inneren Funktionsweise des Gehirns verbessert.
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Nun, mit diesen Mikroskopiemethoden und künstliche Intelligenz (KI), auch maschinelles Lernen genannt, erstellten Lichtman und seine Kollegen eine 3D-Karte eines Teils des Gehirns im Maßstab von Nanometern, also Millionstel Millimetern. Dies liefert ein Bild des Organs mit der höchsten Auflösung, die jemals von Wissenschaftlern erreicht wurde.
Der resultierende Zellatlas, beschrieben in der Zeitschrift Wissenschaften Am 9. Mai auch er Für Wissenschaftler zur Online-Einsicht verfügbar.
Diese Karte zeigt einen kleinen Teil des Gehirns mit einer Größe von etwa 1 Kubikmillimetern, kleiner als ein Reiskorn. Das Gehirn eines Erwachsenen ist eine Million Mal größer.
Einer 45-jährigen Frau, die sich einer Gehirnoperation zur Behandlung von Epilepsie unterzogen hatte, wurde eine Probe eines Teils des Gehirns entnommen. Ärzte entfernten das Stück Großhirnrinde Der äußere Teil Aus ihrem Gehirn. Nachdem sie die Probe in Konservierungsmitteln fixiert hatten, färbten die Forscher sie mit Schwermetallen, um die Zellen besser erkennen zu können. Anschließend betteten sie das Gewebe in Harz ein und schnitten es in mehr als 5.000 Scheiben mit einer Dicke von jeweils etwa 30 Nanometern.
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„Das entspricht etwa einem Tausendstel der Dicke einer Haarsträhne“, sagte Lichtman. Das Team scannte jeden Objektträger mit einem Hochgeschwindigkeits-Elektronenmikroskop, das mehrere Elektronenstrahlen verwendet, um Zellen in der Probe zu beleuchten. Anschließend schickten sie die mikroskopischen Daten zur weiteren Analyse mithilfe künstlicher Intelligenz an Google.
Google-Forscher verwendeten Modelle des maschinellen Lernens, um dasselbe Objekt in verschiedenen mikroskopischen Bildern zu erkennen und erstellten dann eine 3D-Ansicht jedes Objekts in allen Bildern. Anschließend fügten sie die Bilder elektronisch zusammen, um die gesamte Probe dreidimensional zu rekonstruieren. Die endgültige 3D-Karte enthält satte 1,4 Petabyte oder 1 Million Gigabyte an Daten.
„Die Menge und Komplexität der in diesem Projekt generierten Daten erfordert die Fähigkeit von Google, modernste Algorithmen für maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz für die Rekonstruktion neuronaler 3D-Netzwerke zu entwickeln.“ Viren JainEin leitender Google-Wissenschaftler, der das Projekt mitleitete, teilte Live Science in einer E-Mail mit.
Die detaillierte Karte der Wissenschaftler birgt mehrere Überraschungen. Sie fanden zum Beispiel heraus, dass einige der ableitenden Nervendrähte oder Axone zu Knoten zusammengerollt sind und Wirbel bilden, die Jain als „geheimnisvoll, aber schön“ beschrieb. Das Team fand auch seltene Verbindungen zwischen Neuronen, bei denen einzelne Axone mit bis zu 50 Synapsen verbunden waren.
„Wir untersuchen immer noch die Funktion dieser Verbindungen, aber sie könnten erklären, wie sehr schnelle Reaktionen oder sehr wichtige Erinnerungen kodiert werden“, sagte Jain gegenüber WordsSideKick.com.
Es bleibt abzuwarten, ob die Blüten und sehr starken Synapsen etwas mit Epilepsie beim Gewebespender zu tun haben oder ob sie im Gehirn von Menschen zu sehen sind, die nicht an dieser Krankheit leiden, bemerkte Lichtman. Er fügte hinzu, dass das Team derzeit Gehirngewebe einer Person mit Parkinson-Krankheit untersucht, sodass dies möglicherweise damit beginnen könnte, die Frage zu beantworten.
Es sei unwahrscheinlich, dass Gehirngewebeproben von zwei Personen genau gleich aussehen, fügte er hinzu, auch weil die Art und Weise, wie sich das Gehirn verdrahtet, von den Erfahrungen des Einzelnen abhängt.
Anschließend möchte das Team das gesamte Mausgehirn kartieren, das 500-mal größer sein wird als diese menschliche Gehirnprobe. Sie beginnen mit dem Hippocampus, einem Schlüsselbereich für Lernen und Gedächtnis.
„Wir haben bereits mit der ehrgeizigen Mission begonnen“, sagte Lichtman.
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