Een ingewikkeld gedetailleerde 3D-hersenkaart van 1400 TB

Een samenwerking tussen Harvard University en Google heeft geleid tot een doorbraak in de hersenwetenschap, waarbij een grootschalige 3D-kaart van een klein deel van het menselijk brein is geproduceerd, complexe neurale interacties aan het licht zijn gekomen en de basis is gelegd voor het in kaart brengen van het hele muizenbrein.

Een kubieke millimeter hersenweefsel lijkt misschien niet veel. Maar gezien het feit dat het kleine vierkant 57.000 cellen, 230 millimeter bloedvaten en 150 miljoen synapsen bevat, allemaal goed voor 1.400 terabyte aan gegevens, hebben de onderzoekers van Harvard en Google zojuist iets enorms bereikt.

Een team van de Harvard University onder leiding van Jeff Lichtman, de Jeremy R. Knowles hoogleraar Moleculaire en Celbiologie en de nieuw benoemde Dean of Science werkten samen met Google-onderzoekers om de grootste synaptische resolutie en 3D-reconstructie van een stukje menselijk brein tot nu toe te creëren. Het toont in levendig detail elke cel en zijn netwerk van neurale verbindingen in een stukje menselijke temporale cortex dat ongeveer half zo groot is als een rijstkorrel.

Technologische vooruitgang in de neurowetenschappen

Een indrukwekkende prestatie, gepubliceerd in het magazine Wetenschappen, is de laatste in een bijna tien jaar durende samenwerking met wetenschappers van Google Research, die Lichtmans elektronenmicroscopie-beeldvorming combineren met kunstmatige intelligentie-algoritmen om kleuren te coderen en de zeer complexe bedrading van de hersenen van zoogdieren te reconstrueren. De drie co-auteurs van het artikel zijn voormalig postdoctoraal onderzoeker van Harvard, Alexander Shapson Kuo; Michal Januszewski van Google Research en postdoctoraal onderzoeker Daniel Berger van Harvard.

Het uiteindelijke doel van samenwerking, ondersteund door Herseninitiatief van het Nationale Instituut voor Gezondheidis het maken van een kaart met hoge resolutie van de neurale bedrading van het gehele muizenbrein, waarvoor ongeveer duizend keer de hoeveelheid gegevens nodig is die zojuist is geproduceerd uit een deel van de menselijke cortex van 1 kubieke millimeter.

Inzichten uit de nieuwste hersenkaart

“Het woord ‘deel’ is belachelijk,” zei Lichtman. “Een terabyte is voor de meeste mensen enorm, en toch is een deel van een menselijk brein – slechts een heel klein deel van een menselijk brein – nog steeds duizenden terabytes.”

De nieuwste kaart in het tijdschrift Science bevat nooit eerder vertoonde details van de structuur van de hersenen, waaronder een zeldzame maar robuuste verzameling axonen die verbonden zijn met wel 50 synapsen. Het team merkte ook weefselafwijkingen op, zoals een klein aantal axonen die uitgebreide strengen vormden. Omdat hun monster afkomstig was van een patiënt met epilepsie, weten ze niet zeker of deze ongebruikelijke formaties pathologisch of eenvoudigweg zeldzaam zijn.

Het vakgebied communicatiewetenschap

Het vakgebied van Lichtman is ‘verbindingswetenschap’, die, net als genomica, uitgebreide catalogi van de hersenstructuur probeert te creëren, tot aan individuele cellen en bedrading. Dergelijke voltooide kaarten zouden de weg banen naar nieuwe inzichten in hersenfuncties en ziekten, waarover wetenschappers nog steeds heel weinig weten.

Dankzij de geavanceerde AI-algoritmen van Google kan hersenweefsel worden gereconstrueerd en in drie dimensies in kaart worden gebracht. Het team heeft ook een reeks openbaar beschikbare tools ontwikkeld die onderzoekers kunnen gebruiken om het neurale netwerk te onderzoeken en te annoteren.

Toekomstige trends

“Gezien de enorme investeringen die in dit project zijn gestoken, was het belangrijk om de resultaten zo te presenteren dat alle anderen er nu van kunnen profiteren”, zegt Viren Jain, Google Research-medewerker.

Vervolgens zal het team zich richten op de vorming van de hippocampus in de muis, die belangrijk is voor de neurowetenschappen vanwege zijn rol in het geheugen en neurologische ziekten.

Referentie: “Een petavoxelgedeelte van de menselijke hersenschors werd gereconstrueerd Nano-schaal “The Decision” door Alexander Shapson Kuo, Michal Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuhong Wang, Jeremy Maiten Shepherd, Neha Carlopia, Sven Durkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Levitt, Donghill Li, Jacob Truedle, Forrest Coleman, Luke Bailey, Angerika Fitzmaurice, Ruhin Carr, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Karina, David Aaliyah, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg en Viren Jane en Jeff W. Lichtman, 10 mei 2024, Wetenschappen.
doi: 10.1126/science.adk4858