지난 여름 하버드 대학교 신경 과학자와 구글 엔지니어 그룹은 인간 뇌 조각의 첫 배선 다이어그램을 발표했습니다. 핀 헤드의 크기에 대한 조직은 보존되고, 중금속으로 염색되고, 5,000 조각으로 자르고 전자 현미경으로 이미지화되었다. 이 입방 밀리미터의 조직은 전체 인간 뇌의 1 백만 분의 1만을 차지합니다. 그러나 그것을 묘사 한 광대 한 데이터는 1.4 페타 바이트의 신경 세포, 혈관 등의 밝은 색상의 현미경 이미지로 구성됩니다.
이 논문의 선임 저자 인 하버드의 제프 리치 만 (Jeff Lichtman)은“새로운 대륙을 발견하는 것과 같습니다. 그는 자신의 팀이 이미 인간 조직에서 이미 발견 한 수수께끼의 지식을 설명했다. 이러한 결과는 방금 표면을 긁었습니다. 샘플을 완전히 검색하는 것은 북미의 모든 도로를 운전하는 것과 비슷한 일이라고 그는 말했다.
.Lichtman은 자신의 경력을 통해 이러한 종류의 신경 배선 다이어그램 또는 코네티컷 (살아있는 뇌의 일부 또는 전체 내에서 모든 신경 연결의 포괄적 인지도)을 만들고 고민했습니다. Connectome은 뇌 물질의 양과 관련된 모든 신경 활동을 뒷받침하기 때문에 호스트가 어떻게 생각하고, 느끼고, 움직이고, 기억하고, 인식하는지 이해하는 것이 중요합니다.
그러나 기술적으로 불가능하기 때문에 인간의 뇌에 대한 완전한 배선도를 곧 기대하지 마십시오. Lichtman은 관련된 데이터의 제트 타 바이트가 오늘날 전 세계 전 세계의 콘텐츠의 상당한 덩어리와 동일하다고 지적합니다. 사실, 아직 포괄적 인 Connectome이있는 유일한 종은
그럼에도 불구하고, 과학자들이 벌레, 파리, 생쥐 및 인간으로부터 축적 한 코네티컷 데이터의 질량은 이미 신경 과학에 강력한 영향을 미치고 있습니다. 그리고 뇌를 매핑하는 기술이 점점 더 빨라지고 있기 때문에 Lichtman과 다른 연구자들은 대규모 코네티즘 (종의 많은 개인의 뇌를 매핑하고 비교하는 데있어 마침내 현실이되고 있음을 기쁘게 생각합니다.
생물학적 개인은 일반적으로 과학자들이 결론을 도출하기 위해 그들의 구색을 조사해야 할 많은 방법으로 너무 다양합니다. 대규모 Connectomics는 신경 과학이 유전체학에 가져온 빠르고 간단한 게놈 시퀀싱과 같은 종류의 큰 부스트를 제공 할 수 있습니다.
c와의 최근 작업. 엘레 간스 대규모 코네티즘의 힘을 보여주었습니다. 한 실험에 따르면 과학자들은 때때로 코네티컷에 대한 지식에서 동물의 행동을 예측하는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 다른 하나는 뉴런의 연계를 작동 회로로 지배하는 규칙을 암시했다. 그러나 이러한 성공은 또한 훨씬 더 복잡한 생물을 다루기 전에 대규모 스케일 Connectomics가 얼마나 멀리 가야하는지를 강조합니다. 연구원들은 또한 Connectomics가 우리에게 말할 수있는 내장 제한 사항에 대해 조심 스럽습니다.
연결에서 동작 예측
약 35 년 전, 첫 벌레에 대한 첫 번째 풀 브레인 배선 다이어그램이 완료되었습니다. 그 당시 동물은 뇌에 302 개의 뉴런 만 가지고 있지만 노력은 영웅적이었습니다. 전자 현미경 이미지의 인쇄물에 대한 손을 잡는 신경 연결의 힘을 끄는 과정을 통해 수행되었습니다. 완료하는 데 15 년이 걸렸습니다.
오늘날 인공 지능에 의해 보강 된 이미징 기술의 발전으로 과학자들은 단일 c를 완성 할 수 있습니다. 엘레 간스 약 한 달 만에 뇌. 신경 과학자들은 단일 실험을 위해 여러 웜을 매핑하여 다른 특성이나 삶의 단계에서 개인을 비교할 수 있습니다. 그들은 복잡한 동작 중에 연결 네트워크가 어떻게 발사되는지 배우기 위해 맵에서 기능적 이미징을 오버합니다.
이 접근법은이 동물을 이해하는 데 인상적인 진전을 가져오고 있습니다. 셀 의 보고서에서 9 월에 출판 된 과학자들은 벌레 Connectome을 사용하여 자연 세계에서 가장 복잡한 행동 중 하나 인 섹스를 설명했습니다. 뇌 세포에서 활동을 측정하고 추적하는 비디오 및 칼슘 영상을 사용하여 c. 엘레 간스 짝짓기 행위 동안. 비디오는 뱀 패턴으로 웜이 서로 미끄러 져 나오는 것을 보여 주었고, 신경 활동을 나타내는 형광 단백질의 백색광은 가느 다란 몸의 길이를 따라 깜박 거렸다.
.과학자들은 복잡한 짝짓기 행동을 파트너 검색, 교미 및 휴식과 같은 하위 범주로 분해했습니다. 그런 다음 뉴런 활동을 웜 코네티컷에 매핑하여 짝짓기 동안 환경에서 정보를 처리하는 뇌 메커니즘을 식별했습니다. 뇌 활동의 결과 맵은 연구에 사용 된 8 개의 벌레 사이에 두드러지고 일관성이 있었기 때문에 9 번째 벌레의 행동을 예측하는 데 사용할 수 있다고 연구의 신경 과학자이자 첫 번째 저자 인 Vladislav Susoy는 설명했다.
.그래서 과학자들은 실험적으로 시험에 이해하기로 결정했습니다. 그들은 새로운 벌레를 가져 가면서“Turning”이라는 움직임에 관여하는 5 개의 뉴런 중 하나를 정확하게 제거했습니다. 이는 웜이 교미 직전에 배우자를 감싸고 있습니다. 그 뉴런이 없으면 벌레는 회전 능력을 잃었습니다. Susoy는“링크가 얼마나 분명한 지 정말 인상적이었습니다.
Florian Engert, Harvard Neuroscientist는 얼룩말 물고기의 뇌지도에서 일하는 또 다른 널리 사용되는 실험실 종이 c라고 불렀습니다. 엘레 간스 복잡한 행동에 대한 통찰력을 생성하기 위해 Connectome을 사용하기 위해 현장의 종이“A Milestone”. 그는 Connectome이“중요한 자원이되고있다”고 말했다
Engert 's Lab의 신경 과학자이자 박사후 연구원 인 Gregor Schuhknecht는“전체 분야가 Connectomics를 사용하는 방식은 신경 회로의 운영 방식을 조사하기위한 도구 및 데이터베이스입니다.
그러나 행동의 토대를 설명하는 것 외에도 Connectomics 연구는 그러한 행동이 어떻게 뇌에 연결되는지에 대한 미묘한 세부 사항을 밝힐 수 있습니다.
예를 들어, c에서 한동안 알려져 있습니다. 엘레 간스 , 뉴런 사이의 연결은 출생과 성인 사이에 극적으로 재구성됩니다. 자연의 최근 논문에서 뇌가 발달 전반에 걸쳐 어떻게 변화하는지 이해하려면 , 토론토에있는 시나이 마운트 병원의 Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute에서 Mei Zhen의 실험실과 Harvard의 Aravinthan D.T.와 Lichtman은 유충과 성인 무대 사이의 8 개의 유 전적으로 동일한 원형 용품을 비교했습니다. 첫 번째 저자 Daniel Witvliet에 따르면이 연구의 가장 흥미로운 발견은 벌레가 유 전적으로 동일 했음에도 불구하고 뇌의 신경 세포 사이의 연결의 40%가 달랐다는 것입니다. 더욱이, 개인들 사이에 변화된 연결은 비슷한 것보다 약했습니다. 100 개의 시냅스 이상을 함유 한 더 강력한 연결은 여러 유기체에서 일관성이있었습니다.
Witvliet과 Lichtman의 경우,이 발견은 뇌-맵 비교의 힘을 대량으로 지적합니다. Witvliet는“각자의 코네티컷이 약간 다르기 때문에‘우리는 웜 코네티컷을 매핑했습니다.’라고 말할 수는 없습니다.
Lichtman 은이 발견은 가변적 인 것과 일관된 두 가지 연결 클래스의 존재를 지적한다고 말합니다. 동물이 생존에 필수적인 신경 활동을 지원하기 위해보다 일관된 연결을한다면, 그는 연결의 변화 수준이 Connectome에서 중요한 특징의 중요한 마커가 될 수 있다고 생각합니다.
.Lichtman은“여러 개의 연결 원이 있다면 기능적으로 중요한 부분이 그 임의의 바다에서 튀어 나올 수 있습니다. 그는 미래에 Connectomics가 건강하고 건강에 해로운 동물, 젊은이와 노인 등을 비교하여 여러 개인의 뇌를 정기적으로 분석하기를 희망합니다. "뇌를 매핑하면 일이 일상적이되는 곳이라고 생각합니다."
신경 과학의“ n 1 인치 문제
그러나 대규모 커넥토믹을 일상적으로 얻는 것은 말보다 쉽게 말할 것입니다. Connectomics 분야는 여전히 Lichtman이“ n 이라고 부르는 것으로 고통받습니다. 1 인치 문제 :최근의 신경 매핑 기술의 최근 개선이 있었음에도 불구하고, 특히 웜보다 더 복잡한 종에서 한 개인의 뇌 배선을 다이어그램하면 가볍게 수행해야 할 작업이 아닙니다.
Worm Mating Paper의 Susoy와 공동 저자 인 그의 동료 Samuel은 동의합니다. 사무엘은“에베레스트 산과 같은 대부분의 상황에서 코네티즘을 생각하는 경향이있다”고 말했다. "한 번 수행하고 끝났다고 말합니다."
그 도전은 연구, 특히 복잡한 생물에 대한 중요한 핸디캡을 나타냅니다. 예를 들어 Lichtman과 그의 동료들이 인간 뇌의 스 니펫을 매핑했을 때, 그들은 자신이 본 이상한 것들이 사람의 독특한 역사와 유전 적 구성으로 인해 정상인지 일회성인지 전혀 몰랐습니다. 만약 그들이 100 개의 인간 뇌에서 동등한 샘플을 매핑 할 수 있다면, 그들은이 미지의 사람들에 대해 약간의 명확성을 얻을 것이지만, 뇌당 1.4 페타 바이트에서는 곧 일어나지 않을 것입니다.
그럼에도 불구하고, Connectomics는 아직 대규모가 될 수없고 부분적인 Connectomes 만 존재하는 경우에도 중요한 진전을 이루고 있습니다. 과일 파리에서 작업, Drosophila melanogaster , 특히 유충 (약 10,000 개의 뉴런)과 성인 (약 135,000 개의 뉴런)에서 특히 멀리 떨어져 있습니다. 작년에 Howard Hughes Medical Institute의 Janelia Research Campus의 연구원들은 시냅스 수준의“Hemi-Brain”Connectome을 발표하여 플라이의 뇌에 많은 중요한 제어 센터를 매핑했습니다. 이로 인해 신경 과학자들이 플라이 항법에 도움이되는 수십 개의 새로운 뉴런 유형과 회로를 발견 한 10 월에 중요한 발표가 이루어졌습니다. 이 작품은 파리가 감각 정보를 어떻게 통합하고 그것을 행동으로 번역 하는지를 밝히는 데있어 주요 이정표로 환영 받았다.
각각의 코네티컷이 본질적으로 일회성이더라도 다른 종의 게놈을 비교할 수있는 데는 큰 가치가있을 수 있습니다. 7 월, Allen Institute for Brain Research, Princeton University 및 Baylor College of Medicine의 신경 과학자 협력은 마우스 시각 신피질에서 미세 구조와 20 만 뇌 세포의 연결성을 포함하는 데이터 세트를 발표했습니다. 이 프로젝트는 완료하는 데 5 년이 걸렸으며 현재까지 마우스에서 가장 큰 데이터 세트를 나타냅니다.
그것은 전체 뇌에서 시작일 뿐이지 만, 그조차도 처음으로 연구자들은 두 개의 포유 동물의 코네티컷 부분 (생쥐와 인간)의 일부를 비교할 수 있다는 것을 의미합니다. 얼룩말 물고기에 대한 코네티컷을 사용할 수있게되면 세 가지 다른 척추 동물을 볼 수 있습니다.
할 수없는 연결
Connectomics의 성공은 달콤 할 수 있습니다. 수년 동안, Connectomics에 대한 핵심 비판은 뇌가 어떻게 기능하는지 설명하기에 불충분하다는 것입니다. c의 뇌의지도를 가지고 있음에도 불구하고. 엘레 간스 수십 년 동안 과학자들은 여전히 신경 기능에 대한 의미있는 결론을 도출하기 위해 노력하고 있습니다. Lichtman에게 더 복잡한 뇌의 무한한 상호 연결성을 파싱하는 것은 인간과 인공 지능의 한계를 테스트하는 도전입니다.
Connectome의 또 다른 한계는 연결의 품질에 대해 아무것도 말하지 않는다는 것입니다. 그것은 단순히 연결이 있음을 알려줍니다. Engert는“두 뉴런 사이에 20 개의 연결이 있지만 모두 매우 약하다면 뇌를 통해 정보가 어떻게 흐르는 지 알고 싶다면 알아야합니다.”
.신경 과학자들은 종종 뉴런이 연결되면 뉴런이 무언가를하는 것을 만들어야한다고 가정했습니다. Lichtman은 모든 연결이 중요한 것은 아니라고 지적합니다. 뉴런은 중복 기능이있는 중복성 및 경로로 가득 찬 광대 한 네트워크의 다른 뉴런과 수천 개의 연결을 만들기 때문입니다. 그렇기 때문에 누군가가 수천 개의 뉴런을 닦아 내고 기억을 잃지 않는 뇌졸중을 겪을 수 있습니다. Lichtman은“뇌가 일을 할 수있는 방법은 무한한 수가 있습니다. "그리고 거의 모든 경우에 신경계는 단순하도록 설계되지 않았기 때문에 가장 간단한 경로를 거의 차지하지 않습니다."
.Connectomics는 또한 뉴런 사이의 시냅스 연결 내에서 정확하게 방출 된 신경 전달 물질 화학 물질과 달리 뉴런을 둘러싼 유체를 통해 순환하는 신경 조절제라는 뇌 화학 물질에 대해 거의 아무것도 알려지지 않습니다. 그들은 뇌의 세포가 서로 의사 소통하는 또 다른 방법을 나타냅니다.
Janelia Research Campus의 신경 과학이자 계산 생물학자인 Louis Scheffer는 많은 신경 회로가 신경 조절제의 존재 하에서 행동을 변화 시킨다고 말했다. 그는 위장 근육의 리듬 운동을 조절하는 랍스터와 게에 단 3 개의 뉴런의 회로 인 Somatogastric 신경절의 예를 인용합니다. 과학자들은이 신경절이 발사 패턴을 변화시키는 약 20 개의 신경 조절제를 확인하여 운동 기능이 뉴런 사이의 연결에 의해 순전히 얼마나 많은지에 대한 콘크리트 결론을 도출하기가 어렵습니다. Scheffer는이 신경 회로가 Connectome만이 뇌 기능을 설명 할 수없는 이유에 대한“포스터 아이”라고 부릅니다.
Engert는 Connectome이 뇌를 이해하기에 충분하지 않을 것이라는 광범위한 합의가 있다고 생각합니다. 그러나 뇌 배선지도의 성공은 회충과 파리의 행동을 설명하는 데있어서“Connectome은 확실히 기능에 도움이 될 것이며 심지어 필요할 수도 있음을 보여줍니다.”
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