Vědci mapují jak je "zadrátován" mozek, vytvářejí takzvaný konektom

Tato nově se rodící oblast výzkumu je nazývána konektomika z anglického connectomics a její název vychází tak trochu z předchozího úsilí vědců rozluštit lidský genom (genome – connectome). Tentokrát jde o to, zjistit, jak jsou v mozku uloženy resp. zadrátovány vzpomínky, povahové vlastnosti, dovednosti a zkušenosti, které tvoří unikátní soubor nazývaný konektom (anglicky connectome) charakteristický pro daného jedince a dané období jeho života.

Konektom je produktem našich genů a našich zkušeností.

„Rodíme se s našimi geny, které se ale dále již nemění“ říká H. Sebastian Seung, profesor výpočetních neurověd na Massachusetts Institute of Technology (MIT), který pracuje na výpočetní stránce konektomiky. „Konektom je produktem našich genů a našich zkušeností“, říká ve svém TED vystoupení viz video výše opatřené českými titulky.

Vědci dosud mají k dispozici pouze jeden červí konektom, který obsahuje pouhých 302 neuronů. V sedmdesátých a osmdesátých letech minulého století jistý tým vědců zmapoval všech 7000 spojení mezi těmito neurony. Tým Dr. Lichtmana se nyní snaží přečíst konektom myši se 100 milióny neuronů. Myšlenka na vytvoření kompletního lidského konektomu se prozatím ukázala jako neúměrně složitá. Znamenalo by to totiž zmapování cca 100 miliard neuronů a rozpletení milionů kilometrů neuronových vláken.

Zmapování lidského konektomu je obrovská výzva a její dosažení je ještě hodně vzdáleno. I ti největší nadšenci připouštějí, že se jejich práce nemusí vyplatit. Loni v srpnu nicméně americký Národní institut zdraví rozdělil 40 miliónů dolarů mezi několik významných amerických univerzit, které spojí své úsilí v projektu zmapování lidského konektomu (The Human Connectome Project).

Právě proto, že spoje v mozku jsou zadrátovány tak hustě, a že je jich takové obrovské množství, stává se sestavení konektomu jedním z nejnáročnějších úkolů, pokud jde o sběr a ukládání dat, které kdy byly řešeny.  K uložení obrázků potřebných pro složení jednomilimetrové kostičky myšího mozku bude potřeba okolo 1 patabytu (10¹⁵bytů) počítačové paměti. Pro srovnání stejný prostor zabere 40 miliard fotografií na Facebooku.

„Svět ještě není připraven na datové soubory o miliónech petabyte, které by vyžadoval lidský mozek“, říká Dr. Lichtman, „ale bude“, dodává.

Neurovědci říkají, že konektom by jim mohl dát nesčetné příležitosti k proniknutí do podstaty mozkových funkcí a být neobyčejně užitečným ve vyšetřování duševních chorob. Mohli by například doslova porovnávat, jak se konektom pacienta liší od zapojení běžného mozku. Chirurgové by zase mohli velmi přesně propočítávat případné řezy v mozku při operacích.

„Projekt mapování konektomu také ukáže, kde je všechna bílá hmota resp. kde jsou všechna spojovací vlákna“ říká Stanley Klein, profesor optometrie a zrakových věd na Kalifornské  univerzitě v Berkeley. „Při mozkových operacích, například při léčbě epilepsie, bychom potom dokázali oddělit část bílé hmoty od šedé kůry mozkové bez toho, aby šedá kůra byla jakkoli narušena.“ Profesor Klein dále říká, že nemá pochyb, že by tento typ chirurgie neměl prospěch z výzkumu konektomu.

Jiní vědci ale pochybují, že výsledek bude odpovídat vynaloženému úsilí. Nadšencům zkoumajících konemktom vytýkají, že ve srovnání s genomickým výzkumem plýtvají financemi, které se pak nedostanou jiným smysluplnějším projektům a že riskují velké zklamání a neúspěch.

„Někteří odborníci tvrdí, že stále ještě nevíme o mozku dost na to, abychom věděli, kde hledat podstatu.“ říká Bradley Voytek, výzkumník Institutu Helen Wills Neuroscience při Kalifornské univerzitě v Berkeley. „A také argumentují, že dosud nemáme takové technologie, se kterými bychom mohli úplný konektom zmapovat v nějakém rozumném časovém rámci.

A navíc i kdyby výzkumníci byli nakrásně úspěšní, sestaví vlastně jen statický obrázek mozku jakoby zmraženého v jednom časovém okamžiku, tedy něco, co nám jen sotva ukáže, jak mozek odpovídá na různé typy podnětů.

Část vědců z celého světa včetně Stephena J. Smitha profesora neurověd ze Stanfordu a Geralda M. Rubina výzkumníka z Howard Hughes Medical Institute, se ale těmito kritickými názory nenechala odradit a vyvinula různé techniky pro mapování mozků a nervových systémů lidí i jiných bytostí.

Dr. Lichtman, profesor molekulární a buněčné biologie na Harvardu si stěžuje: „Někteří lidé mi říkají: ‘Možná ty informace ani nepotřebuješ ani ty přislíbené prostředky, možná bys to měl odložit.’ Je to otázka.“ 

Dr. Lichtman totiž hranice zkoumání konektomu posunuje tím, že se pustil se svými dalšími čtyřmi spolupracovníky do mapování celého myšího mozku v tom nejjemnějším možném měřítku.

V suterénu, kde se Lichtmanova laboratoř nachází, vědci myši připravují. Do oběhového systému jim přidávají speciální směsi, které jejich tělo přizpůsobují k pozorování elektronovým mikroskopem. Jakmile je tělo připraveno, skenování může začít.

Přístroj postavený Kennethem J. Hayworthem, jedním z výzkumníků, dokáže krájet myší mozek na plátky o šířce 29.4 nanometrů. Výzkumníci to pro představu přirovnávají k hoblování předmětu o velikosti fotbalového hřiště, kde by jeden odkrojený plátek měl tloušťku asi tak čtvrt milimetru.

Mr. Hayworth navrhl techniku, která díky povrchovému napětí umožňuje přenášet mozkové šupiny plující po miniaturní kaluži vody na čirou plastickou pásku. Zadní strana pásky pak tenkým mozkovým šupinkám zajistí jistou podporu a pevnost důležitou pro další zpracování pod elektronovým mikroskopem.

Vědci v Lichtmanově laboratoři postupují lineárně napříč celým myším mozkem, získávají jeden tenký plátek za druhým a pod elektronovým mikroskopem z nich dělají obrázky, které skládají na sebe, čímž postupně vzniká 3D model myšího mozku.

Aby bylo možné rozsáhlé větve jednotlivých neuronových axonů a dendritů snadněji sledovat a zkoumat, jak jsou propletené a zapojené, přiřazují Dr. Lichtman a jeho kolegové jednotlivým mozkovým buňkám unikátní barvy. V počítačovém prostředí je pak jednoduché tyto „psychedelické“ obrazy zvětšovat, zmenšovat, všelijak natáčet a kroutit podle libosti.

Pro představu, proklestit se 7000 řezy myší mozkové kůry zabere výzkumníkům tři dny. „Krájení je jednoduché“, říká Dr. Lichtman, „mnohem více času utopíme v tvorbě vizuálního modelu.“

Dr. Lichtman odhaduje, že to bude trvat ještě roky, než se budeme moci podívat na kompletní myší konektom, nicméně na obzoru jsou některá technologická vylepšení, která by mohla tento čas výrazně zkrátit. Není třeba ani říkat, že lidský mozek by byl mnohem mnohem složitější a náročnější na čas.

„Doufejme, že se k otázce, jak je mozek zadrátován, vracíme znovu s větší dávkou nové energie“, říká Gary S. Lynch, známý výzkumník, pokud jde o problematiku mozku, z Kalifornské univerzity v Irvinu. „Tím, že dosud nemáme žádný pořádný plán či nákres, nemůžeme nikdy náležitě uchopit ty nejhlubší a nejbláznivější otázky, které zajímají každého neurovědce na prvním místě: Co je myšlení a vědomí?“

Konektom by nám poskytl mnohem detailnější pohled do vnitřního fungování mozku, než současné techniky založené na měření průtoku krve v jeho určitých oblastech. Vědci tvrdí, že by nám to mohlo doslova ukázat, jak jsou lidé zadrátovaní a osvětlit či objasnit, rozdíly v mozcích lidí s mentálními poruchami.

Jak dodává Mr. Kasthuri, výzkumník z Harvardu: „Bude to buď velký úspěch nebo velké varování.“