Před a po connectomu: mapa, která odhaluje, jak mozek skutečně funguje
Tým dvou set vědců zmapoval 139 000 neuronů a 50 milionů spojení v mozku ovocného muše – úspěch, který mění naše pochopení lidského mozku.
Jeden z největších a nejdůležitějších projektů v oblasti vědy byl dokončen minulý rok. Vlastně, dokončení výzkumu není nikdy možné, ale dosavadní výsledky jsou působivé. Věda významně pokročila v pochopení lidského mozku.
Když doktor Albert Cardona, vědec z laboratoře molekulární biologie MRC, slyšel o dokončení kompletního mapování mozku dospělého ovocného muše, použil frázi, která se okamžitě stala nejcitovanější v tomto oboru: „Je před connectomem – a je po něm,“ v narážce na slavný citát neuroteoretika Larryho Abbotta z Kolumbijské univerzity. „Když vědci dokončí connectom zvířete, najednou se úroveň porozumění posune kilometr od všeho, co bylo předtím.“
Ale co vlastně connectom je? Tento termín z oblasti neurovědy popisuje mapu nervových spojení v mozku – včetně fyzických spojení jako axony a synapse, stejně jako vzory aktivity mezi různými oblastmi. Jakási „cestní mapa“ nervové sítě, která pomáhá porozumět, jak mozek organizuje informace, paměť, emoce a chování. Zkoumání connectomu je důležité pro pochopení neurologických a psychických onemocnění a pro vývoj inovativních léčebných metod.
Minulý rok mezinárodní tým přes 200 vědců z 50 laboratoří po celém světě, známý jako konsorcium FlyWire, publikoval devět článků současně v časopise Nature. Tyto články popisují první úplnou mapu všech nervových spojení u dospělého organismu takové komplikovanosti: 139 255 neuronů spojených více než 54,5 miliony synapsí.
„Zprvu to vypadalo absurdně“
Profesorka Mela Mori, ředitelka Princetonova institutu neurověd a spolupředsedkyně výzkumu, si dobře pamatuje okamžik, kdy nápad vznikl. V roce 2018 vědci na výzkumném kampusu Janelia Institutu Howard Hughes vyfotografovali mozek ovocného muše v nanometrovém rozlišení pomocí elektronového mikroskopu a zpřístupnili tyto obrázky veřejnosti. Mori a profesor Sebastian Seung z Princetonu si mysleli, že by bylo možné tyto obrázky použít k identifikaci a mapování spojení mezi všemi viditelnými neurony.
„Ale vypadalo to opravdu absurdně,“ přiznala Mori. „Byl to prostě příliš velký projekt. Nikdo ještě nevytvořil mapu v takovém měřítku.“ Abychom pochopili výzvu: první connectom, který byl dokončen v roce 1986, byl u červa elegans s pouhými 302 neurony. Connectom larev ovocného muše, zveřejněný v březnu 2023, zmapoval asi 3 000 neuronů. Mozek dospělého ovocného muše je ve své velikosti zcela mimořádný – téměř 140 000 neuronů.
„Je to zásadní úspěch,“ řekla Mori. „Neexistuje žádný jiný úplný connectom dospělého mozku s takovou komplikovaností.“ Doktor Clay Reid, neurobiolog z Allen Institute for Brain Science, který se na projektu nepodílel, potvrdil: „Je to obrovské.“ Projekt byl umožněn díky jedinečné kombinaci technologie a lidského úsilí. Umělá inteligence pomocí strojového učení pomohla převést data z obrázků na trojrozměrné rekonstrukce každého neuronu a jeho synapsí. Nicméně, algoritmy dělají chyby, a tak byla rekonstrukce nutná k manuální opravě.
„Vytvořili jsme atlas“
Jedním z nejzajímavějších objevů byla složitost sítě. Mori prozradila: „Síť je velmi komplikovaná… Po čtyřech skocích – čtyřech spojení – může téměř každý neuron mozku komunikovat s jakýmkoli jiným neuronem v mozku.“ To je úroveň propojení, kterou vědci neočekávali. Tým identifikoval 8 453 různých typů buněk, z nichž 4 581 typů bylo zcela nových a dosud neznámých. Většina z nich pochází z oblastí mozku, které nebyly zahrnuty v předchozích částečných connectomech. Doktor Sven Dorkenwald z Princetonu shrnul: „To, co jsme vytvořili, je v mnoha ohledech atlas.“
Doktor Anita Duveny, specialistka na ovocné mušky z Emory University, která napsala příspěvek k článkům, popsala dopad na její práci: „Desítky let jsme netušili, co jsou chuťové neurony v mozku. A najednou je to možné zjistit,“ doufá, že vědecký výnos z FlyWire uklidní financující orgány, že investice do connectomů se vyplácí.
Největším překvapením je pravděpodobně relevance pro výzkum lidského zdraví. Profesor Seung prozradil na tiskové konferenci: „75 % genů spojených s onemocněními u lidí má homologii v genomu ovocného muše.“ Homologové jsou podobné geny, které se zachovaly během evoluce. Porozumění těmto genům může napomoci vývoji léčby pro četná lidská onemocnění.
Doktor Martha Beharachia, docentka neurovědy na Arizonské univerzitě, byla nadšená: „Myslím, že to je vlastně začátek ohromného množství výzkumů. Když použijete mapu k prozkoumání nervových okruhů ovocného muše, můžete skutečně sledovat tok informací způsobem, jakým to dříve nebylo možné.“ John Ngai, ředitel iniciativy BRAIN v USA, dodal: „V mnoha ohledech je mozek silnější než jakýkoli počítač, který byl vytvořen člověkem, a přesto v mnoha případech stále nerozumíme jeho základní logice.“
Další projekt: mozek myši
Doktor Jerry Rubin, vedoucí senior výzkumné skupiny na kampusu Janelia, který se na výzkumu nepodílel, hledí do budoucnosti: „Pokud budeme moci pochopit, co dělá včelu mnohem chytřejší než ovocného muše, vysvětlí nám to hodně o tom, co nás činí mnohem chytřejšími než myši.“
Vědci již pracují usilovně na connectomu myšího mozku, který má tisíckrát více neuronů než mozek ovocného muše. Avšak cesta je stále daleká. Rubin vysvětlil: „Projekt bude skutečně dokončen, až vědci zcela pochopí, jak tento malý mozek ovládá chování muše ve všech jeho úžasných aspektech – navigace v prostoru, hledání partnera a konkurence.“
Doktor Penelope Stern z Rochester University, která se podílela na psaní jednoho z článků v Nature, shrnula: „Tento článek ukazuje, co se dá udělat s connectomem – umožňuje vědcům překročit jednotlivé typy buněk a zkoumat, jak jsou nervové okruhy organizovány a jak skupiny neuronů spolupracují na vytvoření mozkové funkce.“ Pokud by se DNA neuronů z mozku ovocného muše rozvinula, dosáhla by více než 150 metrů – delší než čtyři modré velryby seřazené „od nosu k ocasu“.
