נוירון בודד מוצג עם 5,600 מסיבי העצב (כחול) שמתחברים אליו. הסינפסות שיוצרות את הקשרים האלה בצבע ירוק. קרדיט: Google Research & Lichtman Lab, אוניברסיטת הרווארד. עיבודים מאת ד' ברגר, הרווארד
חוקרים השתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני ברזולוציה גבוהה כדי לצלם חתיכה קטנה מרקמת מוח אנושית, ויצרה מפה תלת-ממדית של למעלה מ-57,000 תאים וכמעט 150 מיליון סינפסות. הממצאים שלהם חושפים פרטים מורכבים על סוגי תאים וקשרים, מדגישים את מורכבות המוח ומקדמים את תחום הקונקטומיקה.
- החוקרים יצרו מפה ברזולוציה גבוהה של כל התאים והחיבורים במילימטר מעוקב בודד של המוח האנושי.
- התוצאות חושפות פרטים שלא נראו בעבר של מבנה המוח ומספקות משאב למחקרים נוספים.
הבנה מלאה של אופן פעולת המוח האנושי מחייבת להכיר את היחסים בין התאים השונים המרכיבים את המוח. זה כרוך בהדמיה של מבנה המוח בקנה מידה של ננומטר על מנת לראות את הקשרים בין נוירונים.
טכניקות הדמיה ומתודולוגיית מחקר
צוות חוקרים, בראשות ד"ר ג'ף ליכטמן מאוניברסיטת הרווארד וד"ר Viren Jain ב-Google Research, השתמש במיקרוסקופ אלקטרוני (EM) כדי לצלם חתיכה בגודל מילימטר מעוקב של רקמת מוח אנושית ברזולוציה גבוהה. הרקמה הוסרה מקליפת המוח של מטופל במסגרת ניתוח לאפילפסיה.
הצוות התחיל בחיתוך הרקמה ליותר מ-5,000 פרוסות, או קטעים, שכל אחד מהם צולם לאחר מכן על ידי EM. זה הניב כ-1.4 פטה-בייט, או 1,400 טרה-בייט, של נתונים. באמצעות נתונים אלה, החוקרים יצרו שחזור תלת מימדי של כמעט כל תא בדגימה. תוצאות המחקר במימון NIH פורסמו בכתב העת מַדָע.
חוקרים בנו תמונה תלת-ממדית של כמעט כל נוירון והקשרים שלו בתוך חתיכה קטנה של רקמת מוח אנושית. תמונה זו מציגה שש שכבות של נוירונים, בצבע בהתאם לגודל הליבה המרכזית של כל תא. קרדיט: Google Research & Lichtman Lab, אוניברסיטת הרווארד. עיבודים מאת ד' ברגר, הרווארד
ממצאים מפורטים וניתוח סלולרי
ניתוח של תאים בודדים בדגימה העלה סך של יותר מ-57,000 תאים. רובם היו נוירונים, ששולחים אותות חשמליים, או גליה, המספקים פונקציות תמיכה שונות לנוירונים. גליה עלה על מספר הנוירונים ב-2 ל-1. תאי הגליה הנפוצים ביותר היו אוליגודנדרוציטים, המספקים תמיכה מבנית ובידוד חשמלי לנוירונים. הדגימה של מ"מ מעוקב אחד הכילה גם כ-230 מ"מ של כלי דם.
השחזור חשף פרטים מבניים שלא נראו קודם לכן. החוקרים ניתחו סוג של נוירון, הנקרא תאים משולשים, שנמצאים בשכבה העמוקה ביותר של קליפת המוח. רבים מאלה אימצו אחת משתי אוריינטציות, שהיו תמונות מראה זו של זו. המשמעות של הארגון הזה עדיין לא ידועה.
סינפסות וקשרים
הצוות השתמש למידת מכונה לזהות סינפסות – הצמתים שדרכם עוברים אותות מתא אחד למשנהו. הם מצאו כמעט 150 מיליון סינפסות. כמעט כל הנוירונים יצרו רק אחד סינפסה עם תא מטרה נתון. אבל חלק קטן יצר שתי סינפסות או יותר לאותה מטרה.
לפחות במקרה אחד, יותר מ-50 סינפסות חיברו זוג בודד של תאים. למרות שהם נדירים, חיבורים של שבע סינפסות או יותר בין תאים היו הרבה יותר שכיחים מהצפוי במקרה. זה מצביע על כך שלקשרים החזקים הללו יש משמעות תפקודית מסוימת.
קונטומיקס ומורכבות המוח
התוצאות ממחישות עד כמה מורכב המוח ברמה התאית. הם גם מראים את הערך של קונקטומיקה – המדע של יצירת מפות מקיפות של קשרים בין תאי מוח – להבנת תפקוד המוח.
"המילה 'פרגמנט' היא אירונית", אומר ליכטמן. "טרה-בייט הוא, עבור רוב האנשים, עצום, אך עדיין שבר של מוח אנושי – רק חלק קטן, קטנטן-קטן של מוח אנושי – הוא עדיין אלפי טרה-בייט."
הצוות הפך את מערך הנתונים שלהם לזמין לציבור. הם גם סיפקו כלי תוכנה שונים שיעזרו לבחון את מפת המוח. התקווה היא שמחקר נוסף של הנתונים, על ידי צוות זה ואחרים, יניב תובנה חדשה על פעולתו של המוח האנושי.
"ההתקדמות המדהימה הזו – היכולת ללכוד ולעבד למעלה מ-1,000 טרה-בייט של נתונים מהמוח – לא הייתה אפשרית ללא התרומה הנדיבה של משתתף המחקר והשותפויות החשובות בין מדעני מוח, מדעני מחשבים ומהנדסים", אומר ד"ר ג'ון. נגאי, מנהל יוזמת המוח של NIH. "שיתופי פעולה אלו הם מרכזיים במטרה שלנו לבנות מפה מלאה של המוח האנושי כדי שנוכל לקרב תרופות למרפאה."
למידע נוסף על מחקר זה:
- הרווארד וגוגל יוצרים מפת מוח 3D מפורטת מורכבת של 1,400 טרה-בייט
- מיפוי תלת מימדי בקנה מידה ננו חושף תובנות מהפכניות לגבי מבנה המוח
