نقشه‌برداری از نورون‌های یک بخش مغز؛ آشکارسازی اسرار بینایی؟!

یک پروژه عظیم چند ساله که توسط بیش از 150 دانشمند رهبری شده است، دقیق‌ترین نقشه تا به امروز از نحوه حرکت اطلاعات بصری در مغز را تولید کرده و بیش از 500 میلیون اتصال را در یک ذره کوچک از بافت مغز موش نشان داده است.

محققان با استفاده از نورون‌های درخشان، میکروسکوپ‌های الکترونی پرقدرت و یادگیری عمیق، هم سیم‌کشی فیزیکی و هم فعالیت الکتریکی بی‌درنگ بیش از 200,000 سلول مغزی را ثبت کردند. مجموعه داده‌های 1.6 پتابایتی حاصل (معادل 22 سال ویدیوی HD مداوم)، نه تنها یک شگفتی فناورانه است، بلکه ما را به پاسخ دادن به سؤالات دیرینه در مورد اینکه چگونه مغز ما نور را به بینایی تبدیل می‌کند و چگونه اختلالات مغزی ممکن است هنگام از کار افتادن این سیستم ایجاد شوند، نزدیک‌تر می‌کند.

رمزگشایی کد بصری مغز

در یک تلاش تحقیقاتی بزرگ که توسط مؤسسات ملی بهداشت (NIH) تأمین مالی شده است، دانشمندان ارتباطات بین صدها هزار نورون در مغز موش را نقشه‌برداری کرده و نحوه پاسخ آن‌ها به ورودی بصری را ثبت کرده‌اند. این کار با ترکیب سیم‌کشی مغز با فعالیت بی‌درنگ، زیربنای مهمی را برای درک چگونگی پردازش اطلاعات بصری توسط مغز برای ایجاد تصاویری که می‌بینیم، فراهم می‌کند.

مغز انسان اطلاعات را از طریق شلیک الکتریکی سریع حدود 86 میلیارد نورون پردازش می‌کند که هر کدام بخشی از یک شبکه وسیع با تریلیون‌ها اتصال را تشکیل می‌دهند. نحوه تفکر، احساس و عمل ما ریشه در ساختار این اتصالات و سیگنال‌های الکتریکی دارد که در عرض میلی‌ثانیه از طریق آن‌ها جریان می‌یابد. اگرچه این تحقیق جدید فقط بر بخش کوچکی از مغز متمرکز است، اما نشان می‌دهد که چگونه نورون‌های منفرد به هم متصل می‌شوند و چگونه این پیوندها به عملکرد کمک می‌کنند. چنین بینش‌هایی می‌تواند به توضیح نحوه عملکرد مغز در سلامت و آنچه در شرایطی مانند آسیب یا بیماری‌های عصبی اشتباه پیش می‌رود، کمک کند.

ثبت اطلاعات مغز در عمل

برای انجام این مطالعه، محققان کلیپ‌های ویدیویی را به موش‌هایی نشان دادند که از نظر ژنتیکی اصلاح شده بودند تا نورون‌های آن‌ها هنگام فعال شدن نور ساطع کنند. این امر به تیم اجازه داد تا الگوهای فعالیت نورون‌ها را در نواحی بصری مغز، که حجمی تقریباً به اندازه یک دانه شن را پوشش می‌دهد، ثبت کنند. با وجود اندازه کوچکش، این بافت حاوی پیچیدگی شگفت‌انگیزی بود: حدود چهار کیلومتر آکسون – الیاف باریکی که سیگنال‌ها را بین نورون‌ها منتقل می‌کنند – در هم تنیده شده و بیش از 524 میلیون سیناپس را در بین بیش از 200,000 سلول تشکیل می‌دهند.

ساخت نقشه مدار سه بعدی مغز

برای نقشه‌برداری این اتصالات، تیم‌ها به مدت 12 روز متوالی در شیفت‌های 12 ساعته کار کردند تا برش‌های فوق‌العاده نازکی از بافت مغز را با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی (EM) به دقت برش داده و تصویربرداری کنند. بازسازی، چالش‌برانگیزترین مرحله بعدی بود، زیرا مستلزم اتصال دقیق تقریباً 28,000 تصویر EM برای هم‌تراز کردن اتصالات در حجم بافت مغز بود.

به دنبال این، ماه‌ها ردیابی اتصالات با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری عمیق و سپس تصحیح دستی و خودکار انجام شد. مدل‌های پیش‌بینی‌کننده یادگیری عمیق که پردازش اطلاعات بصری در قشر مغز را توضیح می‌دهند، ساخته و اعتبارسنجی شدند. در مجموع، حجم داده‌های جمع‌آوری‌شده برای ایجاد این نقشه کوچک به 1.6 پتابایت می‌رسد، که تقریباً معادل 22 سال ویدیوی HD مداوم است.

عصر جدید نقشه‌برداری عصبی

این نتایج در زمانی به دست می‌آید که نقشه‌های نورون‌ها و اتصالات آن‌ها به‌طور فزاینده‌ای اسرار مغز را آشکار می‌کنند. در سال 2023، تحقیقاتی که توسط ابتکار عمل تحقیقات مغز از طریق توسعه فناوری‌های نوآورانه عصبی مؤسسات ملی بهداشت (NIH BRAIN Initiative®) تأمین مالی شد؛ اولین اطلس سلولی کامل مغز موش را تولید کرد، از جمله انواع و مکان‌های بررسی‌شده از بیش از 32 میلیون سلول. سال گذشته نیز پروژه “Flywire” ابتکار عمل NIH BRAIN منجر به نقشه‌برداری کامل مغز مگس سرکه معمولی شد و ارزش منحصر به فرد نقشه‌برداری کل مغز به طور کامل را نشان داد.

منبع: Scitechdaily