211service.com
Een bedradingsschema van de hersenen
Nieuwe technologieën waarmee wetenschappers de fijne bedrading van de hersenen nauwkeuriger dan ooit tevoren kunnen traceren, zouden binnenkort een volledig bedradingsschema kunnen genereren - inclusief elke minuscule vezel en minuscule verbinding - van een stukje hersenen. Deze kaarten, genaamd connectomics, zouden kunnen blootleggen hoe neurale netwerken hun precieze functies in de hersenen uitoefenen, en ze zouden licht kunnen werpen op aandoeningen waarvan wordt aangenomen dat ze afkomstig zijn van defecte bedrading, zoals autisme en schizofrenie.
Axonen analyseren: Wetenschappers ontwikkelen nieuwe manieren om het verwarde web van neuronen in de hersenen te bestuderen. Deze afbeelding toont een gedeeltelijke reconstructie van het netvlies van het konijn. Neurale projecties, die neuron met neuron verbinden, zijn gelabeld in verschillende kleuren.
Het brein is in wezen een computer die zichzelf tijdens de ontwikkeling aansluit en zichzelf opnieuw kan bedraden, zegt Seung Seung , een computationele neurowetenschapper aan het MIT. Als we een bedradingsschema van de hersenen hebben, kan dat ons helpen begrijpen hoe het werkt. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld eerder het deel van de hersenen van de zangvogel geïdentificeerd dat belangrijk is in het vermogen van vogels om liedjes te genereren. Seung zou uiteindelijk een bedradingsschema van deze structuur willen ontwikkelen om de kenmerken te verduidelijken die ten grondslag liggen aan zijn unieke vermogen.
Het bedradingsschema van slechts één organisme bestaat momenteel: dat van de microscopische worm C. elegans . Ondanks dat ze slechts 302 neuronen bevatten, C. elegans Het in kaart brengen duurde meer dan een decennium, in de jaren zeventig. Het is een onschatbare onderzoeksbron geweest en heeft de makers ervan een Nobelprijs opgeleverd.
Met naar schatting 100 miljard neuronen en 100 biljoen synapsen in het menselijk brein, is het creëren van een allesomvattende kaart van zelfs een klein stukje een ontmoedigende taak. Met behulp van standaardmethoden zou het ongeveer drie miljard persoonsjaren duren om het bedradingsschema van een enkele corticale kolom, een smalle functionele eenheid van neuronen in de cortex, te genereren. Winfried Denk , een neurowetenschapper aan het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek in Heidelberg, Duitsland.
Multimedia
Bekijk een 3D-reconstructie van een stukje konijnenretina.
Denk, Seung en hun medewerkers ontwikkelen nu gevoelige nieuwe beeldvormingstechnieken en machine learning-algoritmen om het bouwproces te automatiseren. Ze hebben al een gedeeltelijk bedradingsschema gemaakt van een deel van het konijnennetvlies. Maar ze zullen hun techniek een miljoen keer sneller moeten maken om uiteindelijk grotere kaarten, zoals die van een corticale kolom, in het rijk van de realiteit te brengen.
Eerdere pogingen om de bedrading van de hersenen in kaart te brengen, waren gericht op grotere anatomische kenmerken, zoals de dikke bedradingsbanen die verschillende delen van de hersenen met elkaar verbinden, of op de paden van afzonderlijke neuronen, kleurden een bepaalde kleur om ze te onderscheiden van hun verwarde veelvoud aan buren. Maar om echt te begrijpen hoe een netwerk van neuronen een bepaalde functie kan vervullen, hebben wetenschappers een nieuw soort kaart nodig. Veel eigenschappen van de hersenfunctie bevinden zich op het niveau van het circuit - informatie wordt geïntegreerd, verwerkt, geëxtraheerd, zegt Elly Nedivi , een neurowetenschapper aan het MIT die niet betrokken is bij het onderzoek. Om te begrijpen wat dat betekent, moet je kunnen zien wie verbinding maakt met wie.
Denk en zijn collega's ontwikkelden een nieuwe techniek om met behulp van elektronenmicroscopie nauwkeuriger bedradingskaarten te maken. Beginnend met een klein blok hersenweefsel, stuiteren de onderzoekers elektronen van de bovenkant van het blok om een dwarsdoorsnede van de zenuwvezels in dat plakje te genereren. Ze nemen dan een heel dun plakje van 30 nanometer van de bovenkant van het blok en herhalen het proces. Wetenschappers gaan stukje voor stukje door de beelden om het pad van elke zenuwvezel te volgen. Herhaal dit [proces] duizenden keren, en je kunt je een weg banen door misschien wel het hele vliegenbrein, zegt Denk.
Seung en Denk streven ernaar het traceringsproces, dat een enkele afgestudeerde studentweek in beslag neemt, drastisch te versnellen met geautomatiseerde algoritmen voor machine learning. De onderzoekers gebruiken gegevens van een handmatig gegenereerd bedradingsschema om een kunstmatig neuraal netwerk te trainen om het menselijke traceringsproces na te bootsen. Vervolgens kunnen ze het resulterende algoritme gebruiken om nieuwe stukjes hersenweefsel te analyseren. Tot op heden hebben ze het proces ongeveer honderd- tot duizendvoudig kunnen versnellen.
De onderzoekers presenteerden hun eerste bevindingen aan een ontzagwekkende menigte op de Vereniging voor Neurowetenschappen bijeenkomst eerder deze maand in San Diego. Ze toonden de driedimensionale reconstructie van een deel van het netvlies van het konijn, de binnenste plexiforme laag, een stuk neuraal weefsel aan de achterkant van het oog dat licht waarneemt en visuele informatie naar de hersenen stuurt. (Bekijk hier een filmpje van de reconstructie.) Maar we moeten 106-voudig of meer verbeteren, zegt Denk, die schat dat dit de drie miljard persoonsjaren die nodig zijn om een corticale kolom te traceren, zou verkleinen tot ongeveer twee jaar. Ik heb er alle vertrouwen in dat het ons uiteindelijk gaat lukken, zegt hij. Maar ik weet niet hoe lang het zal duren - als we geluk hebben, misschien een jaar of zo.
Eerder deze maand beschreven wetenschappers van Harvard een nieuwe methode om neuronen in de levende hersenen op te sporen door ze te labelen met wel honderd verschillende kleuren. (Zie The Technicolor Brain.) We beginnen bedradingsschema's als fundamenteel te beschouwen, zegt: Jef Lichtman, een van de onderzoekers die de techniek heeft ontwikkeld.
Onderzoekers zeggen dat de twee benaderingen waarschijnlijk complementair zullen zijn, waardoor wetenschappers naar neurale circuits van verschillende dimensies kunnen kijken. Uiteindelijk wil Seung kaarten maken van het volledige vliegconnectoom, evenals gedeeltelijke bedradingsschema's van interessante locaties in grotere hersenen, zoals de hippocampus, de bulbus olfactorius en het netvlies.
Hoeveel licht deze kaarten precies op de hersenen zullen werpen, is nog enigszins controversieel. Alleen al het kennen van de [bedradings]gegevens zal ons niet ver brengen als we het niet in het kader van de verwerking en overdracht van gegevens in de hersenen plaatsen, zegt David van Essen , een neurowetenschapper aan de Washington University, in St. Louis, en voorzitter van de Society for Neurosciences. Seung en anderen hopen uiteindelijk kaarten te genereren die de biochemische en fysiologische eigenschappen van verschillende cellen in de bedradingsschema's opnemen.