EPFL tyrėjai sukūrė galingą metodą, skirtą pelės smegenų biologiškai realiems smegenų smegenų žemėlapiams generuoti. Jų požiūris tilteli eksperimentinius duomenis su matematiniu ir skaičiavimo modeliavimu, kad būtų galima imituoti, kaip neuronai jungiasi per visas smegenis.
Tyrimas paskelbtas žurnale Gamtos ryšiai.
Vienas didžiausių neuromokslų iššūkių yra suprasti, kaip smegenys yra sujungtos. Net naudojant šiuolaikinius vaizdo gavimo įrankius, buvo iššūkis sukurti išsamius žemėlapius, kurie parodo, kaip milijardai smegenų ląstelių (neuronų) jungiasi ne tik su jų vietiniais „kaimynais“, bet ir su kitomis, tolimesnėmis smegenų ląstelėmis.
Šie žemėlapiai, žinomi kaip junginiai, yra raktas į smegenų funkcijos ir ligos paslapčių atrakinimą. Tačiau tradiciniai smegenų žemėlapio metodai suteikia tik dalinį vaizdą.
Nors eksperimentiniai duomenų rinkiniai auga, jie vis dar yra per retūs, kad galėtų rekonstruoti visas svarbias ryšius, ypač tie, kurie tiluoja tolimus smegenų regionus. Dėl to vis dar sunku suprasti sudėtingas kognityvines funkcijas arba tiksliai nustatyti neurologinių ligų priežastį.
Tyrimų ir medicinos taikymo modelis
EPFL „Blue Brain“ projekto profesoriaus Henry Markramo grupės mokslininkai dabar sukūrė būdą, kaip sukurti skaitmeninį („sintetinį“, kaip jie žinomi lauke), tačiau biologiškai realūs, smegenų ryšio žemėlapiai.
Lida Kanari vadovaujama, jie sukūrė išsamius skaitmeninius modelius, kaip neuronai praplečia savo laidus visose smegenyse, žengdami žingsnį arčiau išsamios jungties, kurią galima naudoti tiek tyrimams, tiek medicininėms reikmėms.
Dirbdami su dideliais biologinių „aksonų rekonstrukcijų“ duomenų rinkiniais, įskaitant naujus duomenis, surinktus kartu su profesoriaus Hanchuano Pengo (Pietryčių universiteto, Kinija) bendradarbiavimo komanda, jie naudojo mašinų mokymąsi grupuoti neuronams pagal savo laidų modelius.
Pirmasis tyrimo autorius Remy Petkantchinas sukūrė galingą skaičiavimo metodą, kuris generuoja sintetinius aksonus, atitinkančius šiuos laidų modelius. Šis metodas buvo pagrįstas matematiniu modeliu, kurį jie sukūrė 2022 m.
Sintetiniai aksonai buvo sukurti taip, kad eina tais pačiais keliais kaip ir jų biologiniai kolegos, todėl gaunami jungtys taip pat atspindėjo, kaip neuronai yra sujungti tikrose smegenyse.
Realus laidų laidas
Sintetiniai aksonai atitinka pagrindinius biologinių bruožus, pavyzdžiui, kaip jie atrodo ir kur jungiasi. Kai jie naudojami kurti viso smegenų tinklus, gautas „Connectome“ labai primena tuos, kurie yra sukurti iš eksperimentinių duomenų, įskaitant kritinius tolimojo ryšio ryšius, susiejančius tolimas smegenų sritis.
Sukurdama tūkstančius sintetinių aksonų, komanda sukūrė skaitmeninį pelės smegenų modelį su realiais laidais. Tai reiškia, kad dabar įmanoma užpildyti esamų „Connectome“ duomenų rinkinių spragas, ištirti, kaip neuronai jungiasi per smegenis, ir net išbandyti idėjas apie smegenų organizaciją, kurių neįmanoma ištirti gyvuose gyvūnuose.
Šis tyrimas atveria naujas neuromokslų galimybes. Skaitmeniniai jungtys gali palaikyti didelio masto smegenų modeliavimą, nukreipti eksperimentus ir pasiūlyti naujų įžvalgų apie neurologines ligas.
Nors tyrimas sutelkė dėmesį į pelių smegenis, tie patys principai galėtų būti taikomi kitoms rūšims, įskaitant žmones, nes tampa daugiau duomenų.