Mapování mozku

Neurologové z Cold Spring Harbor Laboratory zveřejnili první část dat získaných v rámci projektu konstrukce první "mapy" celého mozku obratlovce - myši.

Neurologové z Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) dosáhli 1. června významného milníku. Zveřejnili prvních 500 terabytů dat, která doposud získali v rámci svého projektu konstrukce první „mapy“ celého mozku obratlovce – myši.

Tato data jsou v podobě gigapixelových obrázků (každý téměř s jedním bilionem pixelů) částí mozku, které mohou být při prohlížení zvětšovány. Pomocí tohoto „virtuálního mikroskopu“ je možno pozorovat jednotlivé neurony a jejich činnost. Obrázky jsou doplněny dalšími informacemi z internetu a jsou plně přístupné jak dalším neurologům, tak i široké veřejnosti (http://mouse.brainarchitecture.org). Data jsou zpřístupněna v duchu otevřených vědeckých iniciativ, které sice známe z digitální astronomie (např. Sloan Digital Sky Survey), ale v neurobiologii tak časté nejsou.
Mozek myši je znázorněn v asi 500 obrázcích, z nichž každý představuje 20 mikrometrů široký řez mozkovou tkání. Software a vysoké rozlišení fotografií dovoluje uživateli „cestovat z jednoho konce mozku na druhý“ a umožňuje tak sledovat prostorové cesty mozkem podél neuronových spojů. Cesty zobrazují neuronové vstupy a výstupy daných částí mozku.
„Používáme ‚brokovnicovou  mřížkovou metodu pro sledování neuronových oblastí, kterou jsme sami před několika lety vymysleli a která se, jak rád dodávám, v neurologické komunitě uchytila.“ říká Partha P. Mitra, Ph.D., profesor biomatematiky v CSHL a vedoucí projektu Architektury Myšího Mozku (Mouse Brain Architecture Project, MBA). „Po prvním červnu budou data dále zveřejňována každý měsíc,“ říká Mitra.

Lidský mozek

Projekt se zabývá velkou neznámou
„Tímto projektem chceme zaplnit významnou mezeru v našich znalostech o mozku,“ vysvětluje profesor Mitra. Naše znalosti o propojení neuronů v mozku totiž zůstávají i přes století intenzivního výzkumu velmi kusé. To zdůrazňovali už Francis Crick a Ted Jones ve svém článku v časopise Nature před téměř dvaceti lety. K pochopení toho, jak mozek funguje (nebo v případě neurologických a neuropsychiatrických onemocnění nefunguje) je nutné, abychom tato propojení chápali lépe. Navíc základní otázky o vývoji mozku nemohou být zodpovězeny bez map mozků jednotlivých živočišných druhů.
Projekt MBA, který je financován z prostředků Keck Foundation a Národního institutu zdraví (National Institutes of Health) je charakterizován v článku, který Mitra a jeho kolegové publikovali v roce 2009. V něm Mitra navrhl, aby byly mozky obratlovců znázorňovány v tzv. „mesoskopickém“ měřítku. Je totiž přístupné světelné mikroskopii a poskytuje tak mnohem více detailů než metody založené na principu nukleární magnetické rezonance. Zároveň však ukazuje mnohem méně detailů, než by se dalo získat elektronovou mikroskopií. Tento přístup, jakkoli je výhodný pro zobrazování neuronových synapsí, je při zobrazování celého mozku vhodný jen pro mozky velmi malé (jako je mozek octomilky) nebo pro malé části myšího mozku.
Pragmatickým postupem, který Mitra prosazuje a který je použit u prezentace prvních dat, je zobrazovat celé myší mozky poloautomatizovaným, kontrolovaným procesem s použitím světelné mikroskopie a neurálních indikátorů (jak virů tak i klasicky používaných indikátorových sloučenin). I když je základní metodologie již nějaký čas vyvinuta, její systematické použití na mřížce rozprostřené po celém mozku, digitalizace a znovusestavení je novátorským přístupem, který byl umožněn rychle se snižující cenou počítačových pamětí. Mapa jednoho myšího mozku vytvořená pomocí světelného mikroskopu představuje asi terabyte (bilion bytů neboli 1000 gigabytů) dat. Je tedy zřejmé, že vytváření a uskladnění takového množství dat by bylo třeba před deseti lety neuvěřitelně drahé.

Sestavování mapy v mesoskopickém měřítku s použitím „brokovnicové“ metody
V mesoskopiském měřítku tým očekává získání obrázků spojů, které jsou v jistém smyslu stereotypní – tj. jsou v podstatě stejné u různých jedinců a jsou pravděpodobně podmíněny geneticky specifickým způsobem. K tomuto výzkumu byly použity mozky různých zvířat stejného pohlaví a věku. Objem mozku je rozdělen na 250 stejně vzdálených předem definovaných mřížkových bodů a v každém tomto bodě jsou použity čtyři různé indikátory. Osmičlenný tým z CSHL tak hledá úplnou mapu spojení, ze které vytvoří celkový datový soubor. Při této práci spolupracují s kolegy z Bostonské univerzity (Boston University), MIT a Kalifornské univerzity v San Diegu (University of California, San Diego).
V tomto smyslu je projekt analogický „brokovnicovému“ přístupu projektu lidského genomu (Human Genome Project). Stejně jako v tomto případě bude totiž konečný výstup sestávat z jednotlivých dat spojených dohromady díky pokročilé počítačové a informační technologii. A Mitra skutečně připouští, že jeden ze zastánců projektu výzkumu lidského genomu, dr. James D. Watson (nyní penzionovaný předseda CSHL), jej při práci na projektu motivoval a podporoval.
„Nikdy nepochopíme, jak mozek funguje, dokud nebudeme mít tuto mapu spojení,“ říká dnes dr. Watson. „Mitra je na správné cestě a udělalo na mě dojem, jak dokázal přejít od původního nápadu až ke konečným datům během pár let s celkem skromným rozpočtem. Jeho přístup totiž potřebuje značnou finanční podporu.“
Projekt MBA byl také inspirován prací Allenova Institutu, založeného spoluzakladatelem Microsoftu Paulem Allenem, která skončila vznikem obsáhlé mapy exprese genů uvnitř myšího mozku. Tato práce byla výsledkem postupů standardní molekulární biologie, které byly opakovány v kvaziprůmyslovém procesu. Výsledná mapa exprese genu, jakkoli byla úspěchem, neměla za úkol vrhat nové světlo na spojení v mozku. Stala se však výchozím bodem pro Mitru.
Od roku 2009, kdy Mitra a jeho kolegové začali se svým projektem mesoskopického mapování mozků obratlovců, se tento postup uplatnil nejen v Mitrově CSHL projektu, ale i v dalších mesoskopických mapovacích projektech pro myši v Allenově institutu a na UCLA. Jednotlivé projekty se liší v zaměření a v technických drobnostech.
Mnoho rysů odděluje mesoskopický projekt v CSHL od ostatních. Šířka řezů 20 mikrometrů dává výsledkům v CSHL zvláště dobré prostorové rozlišení. Použití čtyř indikátorů, jak klasických indikátorových sloučenin, tak i neurotropních virů (oslabených nebo poškozených virů, které napadají nervové buňky), poskytuje dostatečné množství informací a pomáhá ovládat různé účinnosti jednotlivých indikátorových sloučenin. Obrázky na stránkách projektu MBA poskytují data o skutečných neuronových procesech – „základní pravdě“ neuroanatomie, jak by řekl Mitra. A nespoléhá se přitom na deduktivní metodologii jako v případě funkční nukleární magnetické rezonance nebo difúzního tenzorového zobrazování, kde se deduktivní metodologie používá. Nakonec je ještě vhodné dodat, že řezy jsou fyzicky skladovány, aby bylo umožněno jejich pozdější přezkoumání citlivějšími zobrazovacími metodami nebo metodami zcela novými.
„Náš projekt bych označil za nutný první krok v mnohem větším úkolu, jakým je pochopení struktury a dynamiky mozku obratlovců a nakonec i mozku lidského,“ říká Mitra. „I když bychom se měli vyvarovat snadných srovnání s projektem Genomu, poskytnou data z MBA a podobných projektů užitečný rámec – ne nepodobný referenčnímu genomu – na který můžeme „navěsit“ různé části našich neurologických znalostí, které byly vždy velmi roztříštěné.“

Data projektu Architektury Myšího Mozku mohou být prohlížena online na stránkách: http://mouse.brainarchitecture.org/.

Obrázek: Lidský mozek; Wikimedia Commons.

Autor: Z originálu „Whole-brain Circuit Mapping“, Mensa International Journal, srpen 2012, číslo 560 přeložil Jiří Chmela
Sdílet
Hledání
Členské příspěvky
Informace o tom jak zaplatit členské příspěvky naleznete na webu Mensy.
Stažení časopisu
Časopis Mensa 2/2017 (duben) si můžete stáhnout ve formátu PDF kliknutím na obrázek.
Titulní strana časopisu Mensa 2/2017
Inzerujte s Mensou
Informace o možnostech inzerce v médiích Mensy ČR naleznete na stránce inzerce v papírovém časopise.
Hledáme
"Historiky"
Mensa má na našem území bohatou historii, avšak jen její malá část je přehledně zmapována. Hledáme pomocníky, kteří by chtěli projít několik starších časopisů, vybrat z nich relevantní informace a upravit je do přehledné podoby.

Programátora
Šikovného programátora, který by byl ochoten věnovat část svého času a doprogramovat nám sekci Kariéra na intranetu Mensy.

Práce v redakci je dobrovolná a nemůžeme Vám za ni slíbit hmotný honorář. Nabízíme Vám však možnost dělat zajímavé věci s lidmi, se kterými je radost pracovat. Se zájmem se, prosím, obracejte na .
Inteligence
Inteligence a její měření
Co je to inteligence, jak se člení a jak ji můžeme změřit, co to znamená IQ?

Popis různých stupnic IQ
Na světě se používají různé stupnice IQ, vysvětlujeme jejich podstatu a vztahy mezi nimi

Historie měření inteligence
Podrobně vysvětlujeme jak se vyvíjely způsoby a metody měření inteligence

Jsme chytřejší než naši předkové?
Rozebíráme Flynnův efekt a změnu průměrné inteligence v populaci během 20. století

Kreativní génius nebo psychotik?
Hranice mezi geniálním a psychotickým jedincem je často velmi úzká, vysvětlujeme, proč tomu tak je a zda spolu tyto vlastnosti souvisí

Chcete znát své IQ?
Přihlaste se na testování IQ pořádané společností Mensa, které na rozdíl od mnoha pochybných testů na internetu probíhá prostřednictvím mezinárodně uznávaného a standardizovaného testu.
Mensa v médiích
Našli jste nějaký článek o Mense? Prosím, pošlete odkaz na adresu .
Napište nám
Rádi píšete a chcete uveřejnit článek v časopise nebo na webu Mensy? Chtěli byste Mense pomoci jinak? Potom určitě napište na .
Testování inteligence
Informace a přihlášku na oficiální testování inteligence naleznete na http://testovani.mensa.cz/. Testování můžete také někomu darovat formou dárkové poukázky.
Tištěný časopis
Časopis Mensa může odebírat kdokoliv (i nečlen) na území ČR za 150 Kč ročně. Se zájmem o předplatné se, prosím, obracejte na sekretářku: .