Para peneliti menggunakan mikroskop elektron 3-dimensi untuk memetakan connectome lokal di korteks serebral – Sains Terkini


Tidak seperti organ lainnya, otak kita mengandung jaringan kabel membran yang sangat padat yang digunakan oleh sekitar 86 miliar sel saraf kita untuk berkomunikasi satu sama lain. Karena setiap sel saraf di bagian utama otak mamalia, yang disebut korteks serebral, berkomunikasi dengan sekitar 1.000 sel saraf lainnya melalui sinapsis yang ditempatkan di sepanjang kabel-kabel ini pada jarak yang jauh, maka diperkirakan ada sekitar 5 juta kilometer kabel yang dimasukkan ke dalam kabel kami. tengkorak – lebih dari 10 kali lebih lama dari semua jalan raya di planet kita, di setiap otak kita. Kabel yang kita temukan di otak kita (dan mamalia lain) setipis diameternya 50 hingga 100 nanometer, sekitar 1000 diameter rambut kita. Kabel yang berbelit-belit memiliki densitas dan magnitudo yang sedemikian besar, sehingga selama lebih dari 100 tahun, para peneliti hanya mampu memetakan konektivitas antara sebagian kecil neuron di bagian otak tertentu.

Hanya pengembangan teknik mikroskopis elektron yang lebih cepat ("3D EM") dan rutinitas analisis gambar yang lebih efisien yang memungkinkan pemetaan jaringan neuron yang padat. Bidang baru "connectomics" telah mengejar pemetaan padat sirkuit yang lebih besar di beberapa spesies dan wilayah otak.

Dalam karya yang diterbitkan hari ini di Ilmu, sebuah tim di sekitar Max Planck Director Moritz Helmstaedter mencitrakan dan menganalisis sepotong jaringan dari korteks serebral tikus berumur 4 minggu, yang diperoleh melalui biopsi dari korteks somatosensor, bagian dari korteks yang dihuni dengan representasi dan pemrosesan sentuhan. Di sini, para peneliti menerapkan pemrosesan gambar berbasis AI yang dioptimalkan dan interaksi manusia-mesin yang efisien untuk menganalisis semua sekitar 400.000 sinapsis dan sekitar 2,7 meter kabel saraf dalam volume. Dengan ini, mereka menghasilkan penghubung antara sekitar 7.000 akson dan sekitar 3.700 neuron pascasinaps, menghasilkan penghubung sekitar 26 kali lebih besar daripada yang diperoleh dari retina tikus lebih dari setengah dekade yang lalu. Yang penting, rekonstruksi ini pada saat yang sama lebih besar dan sekitar 33 kali lebih efisien daripada yang diterapkan pada retina, menetapkan tolok ukur baru untuk rekonstruksi connectomic padat di otak mamalia.

Didorong oleh terobosan metodologis ini dalam connectomics, para peneliti menganalisis connectome untuk pola sirkuit yang ada. Secara khusus, mereka bertanya fraksi apa dari rangkaian yang menunjukkan sifat-sifat yang konsisten dengan pertumbuhan sinapsis, mekanisme yang diketahui berkontribusi pada pembentukan rangkaian dan "pembelajaran." Alessandro Motta, penulis pertama studi ini dan seorang insinyur listrik melalui pelatihan, menggunakan konfigurasi khusus pasangan sinaps untuk mempelajari sejauh mana mereka setuju dengan proses pembelajaran terkait aktivitas ("LTP"). "Karena beberapa model plastisitas sinaptik membuat prediksi konkret tentang peningkatan bobot sinaptik ketika belajar, misalnya, untuk mengidentifikasi pohon atau kucing, kami dapat mengekstraksi jejak proses potensial tersebut bahkan dari snapshot statis rangkaian," menjelaskan Motta. Karena tikus telah memiliki kehidupan laboratorium yang normal sampai biopsi otak pada usia 4 minggu, para ilmuwan berpendapat bahwa tingkat sirkuit dibentuk dengan belajar dalam keadaan sensorik "normal" dapat dipetakan menggunakan pendekatan mereka.

"Kami terkejut betapa banyak informasi dan ketepatan yang ditemukan bahkan di bagian korteks yang masih relatif kecil," kata Helmstaedter, dan menambahkan, "Terutama ekstraksi fraksi sirkuit yang dipelajari adalah pembuka mata utama bagi kami."

Metode yang dilaporkan mungkin memiliki implikasi substansial untuk transfer wawasan tentang kecerdasan biologis ke apa yang sekarang disebut "kecerdasan buatan." "Tujuan pemetaan jaringan saraf di korteks serebral adalah petualangan ilmiah utama, juga karena kami berharap dapat mengekstraksi informasi tentang bagaimana otak adalah komputer yang efisien, tidak seperti AI hari ini," kata Helmstaedter. Dan menggambarkan sebuah bidang penelitian dengan para pemain utama termasuk Google dan program penelitian dari badan-badan intelijen di AS (IARPA): "Ambisi untuk belajar dari jaringan saraf biologis tentang masa depan jaringan saraf buatan dibagi oleh inisiatif besar di seluruh dunia. Kami sangat bangga telah mencapai tonggak pertama, penghubung kortikal lokal yang padat, menggunakan dana publik eksklusif dari Max Planck Society. "

Setelah hampir satu dekade bekerja, para peneliti sangat antusias dengan prestasi mereka. "Mampu mengambil sepotong korteks, memprosesnya dengan rajin, dan kemudian memperoleh seluruh peta komunikasi dari jaringan yang indah itu adalah apa yang telah kami kerjakan selama dekade terakhir," jelas Helmstaedter.

Para peneliti menyimpulkan: "Kami berpikir bahwa metode kami, diterapkan pada sejumlah besar jaringan kortikal dari berbagai area otak, lapisan kortikal, titik waktu perkembangan, dan spesies akan memberi tahu kami bagaimana evolusi telah merancang jaringan ini, dan apa dampak pengalaman pada pembentukan struktur berbutir halus mereka. "

"Selain itu, skrining connectomik akan memungkinkan deskripsi fenotip rangkaian gangguan kejiwaan dan terkait – dan memberi tahu kami sampai sejauh mana beberapa gangguan otak yang penting sebenarnya adalah konektopat, penyakit sirkuit."

Referensi:

Bahan disediakan oleh Institut Max Planck untuk Penelitian Otak. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.