Jedna miliardowa mapy mózgu

Mówiąc zaś jeszcze ściślej – wycinka mózgu, mniejszego 600 tysięcy razy od jednego milimetra sześciennego, mieszczącego w sobie nie całe dwa neurony, lecz ich niewielki fragment wraz z wszystkimi wychodzącymi z nich połączeniami.

Zacznijmy od metody. Mikroskopijny wycinek mózgu myszy – w tym wypadku pochodzący z kory nowej, czyli relatywnie młodego ewolucyjnie fragmentu mózgu, odpowiedzialnego za wyższe funkcje poznawcze – zostaje utrwalony chemicznie i usztywniony poprzez zalanie żywicą epoksydową. Następnie trafia pod ultramikrotom – urządzenie służące do automatycznego pocięcia próbki na bardzo cienkie plasterki za pomocą ostrza diamentowego.

Pokazana na ilustracji „mapa”, przedstawiająca obszar o szerokości mniej więcej jednej setnej milimetra, została odtworzona na podstawie kilku tysięcy tego typu „plasterków”. Każdy z nich został bardzo starannie zeskanowany za pomocą mikroskopu elektronowego, zaś uzyskane w ten sposób obrazy zostały nałożone na siebie komputerowo. Tego typu metodę stosuje się w badaniach anatomicznych od wielu lat, zaś jedno z jej najsłynniejszych zastosowań miało miejsce na początku lat 90. XX wieku, kiedy to szczegółowo „zeskanowano” dwa ciała ludzkie – mężczyzny i kobiety (tzw. Visible Human Project). Tożsamość kobiety pozostaje utajniona, jednak wiadomo, że mężczyzną był 38-letni Teksańczyk Joseph Paul Jernigan skazany na karę śmierci za morderstwo w sierpniu 1993. Jernigan, po namowie kapelana więziennego, zgodził się na wykorzystanie medyczne jego zwłok po śmierci, choć do dziś trwają debaty na temat aspektów etycznych tego przedsięwzięcia. Szczegółowe zdjęcia ich ciał stanowią jednak do dziś jedno ze standardowych źródeł danych anatomicznych.

Wróćmy jednak do mysiego mózgu. Dopiero po uzyskaniu serii zdjęć mikroskopowych zaczyna się najbardziej żmudny etap, polegający na dopasowaniu do siebie struktur widocznych na sąsiednich plasterkach. Teoretycznie, obrazy sąsiednich plasterków powinny być na tyle do siebie podobne, że z łączeniem ich ze sobą – a więc i identyfikowaniem struktur przebiegających przez setki kolejnych plasterków – powinien sobie poradzić algorytm komputerowy. Nie zawsze jest to jednak proste. Drobne niedoskonałości w obrazach, struktury nagle zmieniające kształt albo przebiegające pod „trudnym” kątem (równolegle do płaszczyzny cięć mikrotomu) sprawiają, że prędzej czy później konieczna będzie interwencja człowieka. Między innymi dlatego cała procedura zajęła aż sześć lat żmudnej pracy.

Efekt jest jednak wart tego trudu. W zbadanym wycinku mózgu zidentyfikowano około 1600 różnych neuronów, których choćby niewielkie fragmenty zmieściły się w badanej objętości (oprócz tych dwóch głównych, które interesowały badaczy najsilniej), a także około 1700 synaps, czyli połączeń pomiędzy neuronami. Co istotne, bardzo starannie opisano również komórki mózgu innego typu niż synapsy, na przykład tzw. komórki glejowe, których rola w mózgu okazuje się być z każdym rokiem badań istotniejsza. Początkowo uważano, że komórki te odpowiedzialne są głównie za „wykarmienie” neuronów i stworzenie im odpowiednich warunków do szybkiego przewodzenia sygnałów. Dziś wiemy już, że biorą one ponadto udział w tworzeniu nowych połączeń pomiędzy neuronami, a także nowych neuronów. Szczegółowe zbadanie, w jaki sposób komórki glejowe „współpracują” z neuronami, jest jednym z celów opisywanego tu badania.

Analizy tej „mapy” dopiero się zaczynają, trudno więc przewidzieć, jakie korzyści dla nauki popłyną z jej powstania. Już dziś potwierdziło się natomiast wysuwane już wcześniej przypuszczenie, że sąsiadujące ze sobą neurony niekoniecznie muszą się ze sobą łączyć. Kiedyś uważano, że o gęstości połączeń pomiędzy neuronami decyduje w dużym stopniu stopień ich zbliżenia w przestrzeni; nawet dziś założenie takie przyjmuje się w niektórych modelach komputerowych próbujących odtworzyć funkcjonowanie tkanki mózgowej. Nawet pobieżna analiza opisywanego to zbioru danych pokazuje, że tak nie jest; a przynajmniej w korze nowej myszy.

Badania tego typu są istotne z wielu powodów. Po pierwsze, one same dostarczają morza danych na temat struktury mózgu w najmniejszej skali. Co jednak istotniejsze, stanowią one krok na drodze do przeprowadzania jeszcze szerszych badań – obejmujących już fragmenty mózgu, którym można przypisać określoną funkcję. Ten sam zespół badawczy, który jest odpowiedzialny za omawianą tu „mapę”, przygotowuje się już do zbadania wycinka mysiego mózgu o prawdziwie gigantycznej objętości… jednego milimetra sześciennego. Dla porównania – przeciętny mózg ludzki liczy sobie ok. 1200 centymetrów sześciennych.

Łukasz Łamża