Az agy gigantikus kapcsolati hálózatának leírása önmagában is elképesztő adatmennyiségek kezelését igényli. Idegtudomány, mesterséges intelligencia és csúcstechnológiás mikroszkópia – e tudományterületek mindegyikének fejlődésére szükség van ahhoz, hogy megoldjuk az emberiség eddigi legnagyobb “térképészeti” feladatát. Erről szólunk az összeállítás második részében.
Az előző részben láthattuk, hogy az agy idegsejt-hálózatának feltérképezése nem kis feladat, azonban a technikai kihívások valódi természetéről eddig szemérmesen hallgattunk. Lássuk, hát, mivel is járt az egéragy egy milliméter élhosszúságú kockájának – vagyis egy homokszemnyi darabkának – feldolgozása:
- 5 transzmissziós elektronmikroszkóp dolgozott folyamatosan 5 hónapon át,
- eközben 25 000 darab, mindössze 40 nanométer vastagságú szeletkéről
- 100 millió felvételt készítettek.
- Ezután az informatikusok 3 hónapon át dolgoztak rajta, hogy az egészet összerakják egy háromdimenziós egységgé,
- amely összességében 100 000 idegsejtet és 1 milliárd köztük levő kapcsolatot tartalmaz.
- A kapott adatmennyiség 2 petabájt, vagyis 2 millió gigabájt.
Ha kedvünk van egy kis számolgatásra, csak a móka kedvéért vessük ezt össze az emberi agy nagyjából 100 milliárd idegsejtjével – látszik, hogy ha az egyéb technikai kihívásokat figyelmen kívül hagyjuk, akkor is ott az egymilliós szorzó a kettő között. Viszont sok kutató szerint a nagyjából 500 köbmilliméteres egéragy feltérképezése már elérhető lehet a következő évtizedben.
Túl a nyers adathalmazon
Visszatérve az egy köbmilliméternyi egéragyhoz: a hónapok megfeszített munkájával kapott eredmény még nem maga a konnektom. A különbség bárki számára világos lehet, aki utazott repülőn, és a magasból megpróbálta rekonstruálni, hol is járhat. Bár a városok, falvak és utakból álló kapcsolatrendszerük a térképen egyértelműnek tűnnek, a levegőből, mindenféle támpont nélkül igen nehezen áll össze a fejünkben a kép. Az idegsejthálózat mikroszkópos felvételénél ez a probléma hatványozottan fellép. Idegsejtek testei és hosszú-hosszú nyúlványai keverednek a felvételeken, mint tésztaszálak egy gigantikus spagettitálban: egy köbmilliméter egéragyban a becslések szerint a nyúlványok összhosszúsága négy kilométert tesz ki.
A valódi, értelmezhető térkép elkészítése a szegmentálás, amit úgy képzelhetünk el, mintha az idegsejteket és a hozzájuk tartozó nyúlványokat kiszíneznénk, így hirtelen jól elkülönülnek a “spagetti” tésztaszálai. Erre különféle, mesterséges intelligenciára épülő megoldásokat fejlesztettek, melyek képesek kitartóan (és főleg elképesztő gyorsan) követni a nyúlványokat, működésük azonban nem teljesen hibamentes. Sajnos az is elég a bajhoz, ha az algoritmus metszetek ezrein keresztül tökéletesen követi a nyúlványt, és ezután egyszer hibázik.
A kutatók ezért az internet lelkes népéhez fordultak, és elkészítettek egy EyeWire nevű alkalmazást – egy online játékot, melyben a felhasználók segíthetnek a mesterséges intelligencia által felvázolt konnektom pontosításában. A 2012-ben kiadott alkalmazásnak jelenleg csaknem 300 000 felhasználója van, és eddigi munkájuk annyit ér, mintha 32 ember 7 évig teljes állásban dolgozott volna a feladaton. A felhasználók eddig az egér retinájának háromdimenziós mikroszkópos felvételével dolgoztak, és hat új idegsejttípus felfedezéséhez is hozzájárultak. A program következő, Neo névre hallgató változata már az egér látókérge egy részletének feltérképezését célozza majd.
Fókuszban a mikroszkópia
A kutatás leginkább technikai része, a mikroszkópia tárgyalása eddig méltatlanul háttérbe szorult, pedig egyáltalán nem magától értetődő, hogyan lehet ilyen mennyiségű leheletvékony, pontosan illeszkedő agyszeletet kezelni. A klasszikus eljárásban – ez a sorozatmetszet-elektronmikroszkópia – a vizsgált szövetet műanyagba ágyazzák, felszeletelik, és a szeleteket sorban, egymás után egy szalagra rögzítik, nagyjából úgy, ahogy a filmkockák sorakoznak egymás után. Ezeket fotózzák le a mikroszkópon keresztül. Az eljárás előnye, hogy a minták így megmaradnak a későbbi vizsgálatokhoz, azonban hátrány, hogy a szeletek levágásánál mindig adódhatnak apróbb torzulások, amelyek megnehezítik az háromdimenziós illesztést.
Újabb mikroszkópos módszer a fókuszált ionnyaláb-pásztázó elektronmikroszkópia, amely letapogatja a háromdimenziós minta felszínét, majd egy ionnyalábbal elpárologtatja a legfelső réteget, és így folytatja tovább a munkát a következő rétegen. A minták értelemszerűen nem vizsgálhatók újra (hiszen elpárologtak a folyamat során), viszont a “szeletek” vékonyabbak, tehát a képekre merőleges tengely mentén nagyobb lesz a háromdimenziós eredmény felbontása, mint a fizikai szeletelésnél. A módszer – illetve egy továbbfejlesztett változata – legnagyobb előnye talán az, hogy jobban összeegyeztethető a többnyalábos elektronmikroszkópok működési módjával, ami jelentősen felgyorsíthatja nagyobb minták vizsgálatát. A jelenleg működő típusok több tucat párhuzamos nyalábot használnak, de hamarosan több száz nyalábbal működő elektronmikroszkópok megjelenése is várható.
Végigvettünk mindent? Nos, mielőtt technooptimista olvasóink megnyugodhatnának, hogy a töretlen technológiai fejlődés nyomán hamarosan a konnektom kérdéskörét is “kipipálhatjuk”, közölnünk kell egy kellemetlen, de a tudományban hétköznapinak számító hírt: ezzel nincs vége a dolognak. Az idegsejtek közötti kommunikációt biztosító szinapszisok fehérjéinek rendszere ugyanis talán szervezetünk legbonyolultabb molekuláris gépezete, mely szinapszisonként eltérő lehet, ráadásul az idegsejtek élete során folyamatosan változik. E szinapszisok jellemzőinek feltérképezése, és a konnektom kapcsolatainak “kiszínezése” e tudás birtokában lehet az agykutatás következő nagy feladata.
A címlapkép forrása: Youtube/EyeWire
