Gimnazistas padeda „beprotišką idėją“ paversti modeliu, galinčiu numatyti neurotransmiterius

Gimnazistas padeda „beprotišką idėją“ paversti modeliu, galinčiu numatyti neurotransmiterius

Gyvensena mityba, dietos, judėjimas

Kaip ir daugelis gerų idėjų moksle, tai prasidėjo nuo pasivaikščiojimo miške. 2019 m. pasivaikščiojimo po Berlyno botanikos sodą metu HHMI Janelia tyrimų miestelio grupės vadovas Janas Funke'as ir kai kurie jo moksliniai kolegos pradėjo kalbėtis pažįstama tema: kaip gauti daugiau informacijos iš vabzdžių jungčių.

Šios laidų schemos suteikia tyrėjams precedento neturinčios informacijos apie smegenų ląsteles ir jų tarpusavio ryšį, tačiau jos nepasako mokslininkams, kaip vieno neurono signalas veikia kitus jo tinklo neuronus.

Grupė domėjosi, ar jie galėtų panaudoti informaciją iš ankstesnių eksperimentų, identifikuojančių neurotransmiterius, išsiskiriančius iš kai kurių neuronų, kad prognozuotų neurotransmiterius, išsiskiriančius iš kitų jungtyje. Neuronai naudoja neurotransmiterius, kad galėtų bendrauti tarpusavyje, o už skirtingus signalus atsakingos skirtingos cheminės medžiagos.

Žmogaus akis negali atskirti neuronų sinapsių, kuriose išsiskiria skirtingi neurotransmiteriai, bet galbūt kompiuterinis modelis galėtų. Funke'as ir jo kolegos buvo skeptiškai nusiteikę, bet manė, kad galbūt verta pabandyti.

„Iš esmės mes tai palikome čia: turime duomenų, manau, galėtume pabandyti“, – sako Funke. „Nebuvome itin optimistiški“.

Vidurinės mokyklos moksleivis padeda „beprotišką idėją“ paversti naujoviška tyrimo priemone

Grįžęs į Janelia, Funke nusprendė padovanoti projektą Michelle Du, vidurinės mokyklos studentei, kuri pradėjo vasaros stažuotę savo laboratorijoje. Projektas leistų Du išmokti neuroninį tinklą atpažinti vaizdus – tai naudingas įgūdis pradedančiam kompiuterių mokslininkui, net jei projektas nedavė rezultatų.

Praėjus kelioms dienoms po stažuotės, Du pasirodė Funke biure, apmokydama modelį pagal paskelbtus duomenis ir įvertinusi jo veikimą pagal bandymų duomenis. Nors Funke'as mažai tikėjosi, kad jis veiks, modelis buvo daugiau nei 90% tikslus numatydamas kai kuriuos neurotransmiterius.

„Negalėjau patikėti“, – sako Funke. „Skaičiai buvo per geri.”

Patikrinę duomenis ir modelį, Funke, Du ir jų kolegos buvo įsitikinę, kad skaičiai nėra klaida: modelis gali numatyti neurotransmiterius. Tačiau komanda vis dar buvo atsargi ir neturėjo gero supratimo, kaip tinklas daro prognozes.

„Turėjau būti labai laimingas, bet vietoj to jaudinuosi, nes nesupratome, kas vyksta“, – sako Funke.

Atmetusi galimus trikdžius, galinčius iškreipti jų rezultatus, komanda sukūrė būdą suprasti, ką mato tinklas, ir tai leido prognozuoti.

Vidurinės mokyklos moksleivis padeda „beprotišką idėją“ paversti naujoviška tyrimo priemone

Pirma, jie naudojo savo tinklą, kad iš žinomo vaizdo nuspėtų neuromediatorių, o tai sėkmingai padarė. Tada jie paprašė atskiro tinklo paimti tą žinomą vaizdą ir šiek tiek jį pakeisti, kad būtų sukurtas vaizdas, atitinkantis kito neuromediatoriaus išsiskyrimą, iš esmės nustatant minimalius bruožus, kuriuos reikia pakeisti, kad modelis galėtų numatyti vieną neuromediatorių prieš kitą. Galiausiai komanda sukūrė atskirą metodą šiems skirtingiems bruožams nustatyti.

Iš šios informacijos komanda suprato skirtingas savybes, kurias jų pradinis tinklas naudojo prognozėms. Tai suteikė jiems pasitikėjimo 2020 m. paskelbti savo metodą platesnei neurologijos bendruomenei.

„Tai, ką dauguma neurologijos bendruomenės matė iš šio darbo, yra prognozės“, – sako Funke. „Jie džiaugėsi juo pasinaudoję, bet mums buvo labai svarbu įsitikinti, ar jis iš tikrųjų veikia.

Po penkerių metų Du dabar yra Duke universiteto bakalauras, o metodas, kurį ji padėjo sukurti, buvo naudojamas nuspėti neurotransmiterius vaisinės muselės pussmegenyse, ventraliniame nerve ir regos skiltyje, kurią sukūrė Janelia mokslininkai ir bendradarbiai, taip pat „FlyWire“ sukurta suaugusiųjų musių smegenų jungtis.

Ši informacija padeda mokslininkams suprasti, kaip grandinės neuronai veikia vienas kitą, kad galėtų susidaryti hipotezes apie smegenų grandinių funkciją, kurią galima išbandyti laboratorijoje.

„Iš tikrųjų viskas prasidėjo nuo šiek tiek beprotiškos idėjos, dėl kurios niekas nebuvo per daug optimistiškas. O ką daryti su beprotiška idėja? Tai suteikiate vidurinės mokyklos mokiniui kaip mokymosi patirtį”, – sako Funke. „Mums labai pasisekė, kad Michelle buvo nepaprastai talentinga.

Straipsnis publikuojamas žurnale Ląstelė.