خريطة دماغية ثلاثية الأبعاد مفصلة بدقة تبلغ 1400 تيرابايت

أدى الجهد التعاوني بين جامعة هارفارد وجوجل إلى طفرة في علوم الدماغ، حيث تم إنتاج خريطة كاملة ثلاثية الأبعاد لجزء صغير من الدماغ البشري، وكشف عن التفاعلات العصبية المعقدة ووضع الأساس لرسم خريطة لدماغ فأر كامل.

قد لا يبدو المليمتر المكعب من أنسجة المخ كبيرًا. ولكن بالنظر إلى أن هذا المربع الصغير يحتوي على 57000 خلية، و230 ملليمترًا من الأوعية الدموية، و150 مليون مشبك عصبي، تمثل جميعها 1400 تيرابايت من البيانات، فقد أنجز باحثو هارفارد وجوجل للتو شيئًا ضخمًا.

قام فريق من جامعة هارفارد بقيادة جيف ليشتمان، أستاذ جيريمي ر. نولز للبيولوجيا الجزيئية والخلوية وعميد العلوم المعين حديثًا، بالاشتراك مع باحثي جوجل، بإنشاء أكبر عملية إعادة بناء ثلاثية الأبعاد بدقة متشابكة لقطعة من الدماغ البشري حتى يومنا هذا. يظهر بتفاصيل حية كل خلية وشبكتها من الوصلات العصبية في قطعة من القشرة الصدغية البشرية يبلغ حجمها حوالي نصف حجم حبة الأرز.

التقدم التكنولوجي في علم الأعصاب

العمل الفذ المثير للإعجاب، الذي نشر في المجلة علم، هو الأحدث في تعاون دام ما يقرب من 10 سنوات مع العلماء في Google Research، الذين يجمعون بين تصوير Lichtman المجهري الإلكتروني وخوارزميات الذكاء الاصطناعي لترميز الألوان وإعادة بناء الأسلاك المعقدة للغاية لدماغ الثدييات. المؤلفون الثلاثة المشاركون في الورقة هم ألكسندر شابسون كو، وهو باحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد؛ ميشال جانوسزيوسكي من أبحاث جوجل ودانيال بيرجر، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد.

الهدف النهائي للتعاون، بدعم من مبادرة المعاهد الوطنية للصحة الدماغيتضمن إنشاء خريطة عالية الدقة للأسلاك العصبية الكاملة لدماغ الفأر، والتي قد تتضمن حوالي 1000 ضعف كمية البيانات التي تم إنتاجها للتو من جزء يبلغ طوله 1 ملليمتر مكعب من القشرة البشرية.

رؤى من أحدث خريطة الدماغ

وقال ليختمان: “إن كلمة “جزء” مثيرة للسخرية”. “إن التيرابايت، بالنسبة لمعظم الناس، هو ضخم، ولكن قطعة من الدماغ البشري – مجرد قطعة صغيرة من الدماغ البشري – لا تزال آلاف التيرابايت.”

تحتوي أحدث خريطة نُشرت في مجلة Science على تفاصيل لم تُعرض من قبل حول بنية الدماغ، بما في ذلك مجموعة نادرة ولكنها قوية من المحاور العصبية المتصلة بما يصل إلى 50 مشبكًا عصبيًا. لاحظ الفريق أيضًا وجود شذوذات في الأنسجة، مثل وجود عدد صغير من المحاور التي تشكل جدلات كبيرة. وبما أن عينتهم مأخوذة من مريض مصاب بالصرع، فإنهم لا يعرفون ما إذا كانت هذه التكوينات غير العادية مرضية أم أنها نادرة فقط.

مجال الاتصال

إن مجال ليشتمان هو “علم الاتصال”، والذي يسعى، على غرار علم الجينوم، إلى إنشاء كتالوجات شاملة لبنية الدماغ، وصولاً إلى الخلايا الفردية والأسلاك. ومن شأن مثل هذه الخرائط الشاملة أن تفتح الطريق أمام رؤى جديدة حول وظائف الدماغ وأمراضه، والتي لا يزال العلماء يعرفون عنها القليل جدًا.

تتيح خوارزميات الذكاء الاصطناعي المتطورة من Google إمكانية إعادة بناء أنسجة المخ ورسم خرائط لها في ثلاثة أبعاد. قام الفريق أيضًا بتطوير مجموعة من الأدوات المتاحة للجمهور والتي يمكن للباحثين استخدامها لفحص الشبكة العصبية والتعليق عليها.

الاتجاهات المستقبلية

قال فيرين جاين، أحد المساهمين في أبحاث Google: “بالنظر إلى الاستثمار الضخم الذي تم إنفاقه في هذا المشروع، كان من المهم تقديم النتائج بطريقة يمكن للجميع الآن الاستفادة منها”.

وسيتناول الفريق بعد ذلك تكوين الحصين عند الفئران، وهو أمر مهم لعلم الأعصاب بسبب دوره في الذاكرة والأمراض العصبية.

المرجع: “إعادة بناء جزء من البيتافوكسيل من القشرة الدماغية البشرية على المقياس النانوي القرار » بواسطة ألكساندر شابسون-كو، ميشال جانوسزيوسكي، دانييل ر. بيرغر، آرت بوب، يويلونغ وو، تيم بلاكلي، ريتشارد إل. شاليك، بيتر إتش. لي، شوهونغ وانغ، جيريمي مايتين شيبرد، نيها كارلوبيا، سفين دوركينوالد، إيفيلينا سجوستيدت، لارامي ليفيت، دونجيل لي، جاكوب ترويدل، فورست كولمان، لوك بيلي، أنجيريكا فيتزموريس، روهين كار، بنجامين فيلد، هانك وو، جوليان واجنر كارينا، ديفيد عاليه، جوانا لاو، زودي لين، دونجلاي وي، هانسبيتر فيستر، آدي. بيليج وفيرين جاين وجيف دبليو ليشتمان، 10 مايو 2024، علم.
دوى: 10.1126/science.adk4858