Dieses Bild könnte Es ist nicht möglich, es in einer Galerie aufzuhängen, aber es beginnt mit einem winzigen Teil des Gehirns einer Frau. Im Jahr 2014 wurde einer Frau, die sich einer Epilepsieoperation unterziehen sollte, ein winziges Stück ihrer Großhirnrinde entfernt. Dieser Kubikmillimeter Gewebe ermöglichte es Forschern von Harvard und Google, den detailliertesten Schaltplan des menschlichen Gehirns zu erstellen, den die Welt je gesehen hat.
Biologen und Experten für maschinelles Lernen haben zehn Jahre lang eine interaktive Karte des Gehirngewebes entwickelt, die etwa 57.000 Zellen und 150 Millionen Synapsen enthält. Es zeigt Zellen, die sich um sich selbst winden, Zellpaare, die einander zu spiegeln scheinen, und eiförmige „Objekte“, die sich laut Forschung einer Kategorisierung entziehen. Dieses atemberaubend komplexe Diagramm soll dazu beitragen, die wissenschaftliche Forschung voranzutreiben, vom Verständnis menschlicher neuronaler Schaltkreise bis hin zu möglichen Behandlungen für Störungen.
„Wenn wir Dinge mit sehr hoher Auflösung abbilden, alle Verbindungen zwischen verschiedenen Neuronen betrachten und alles im großen Maßstab analysieren, können wir möglicherweise Verdrahtungsregeln identifizieren“, sagt Daniel Berger, einer der leitenden Forscher des Projekts und ein Spezialist für Konnektomik, die Wissenschaft, die untersucht, wie sich einzelne Neuronen miteinander verbinden, um funktionelle Netzwerke zu bilden. „Von dort aus können wir möglicherweise Modelle erstellen, die mechanisch erklären, wie Gedanken funktionieren oder wie Erinnerungen gespeichert werden. »
Jeff Lichtman, Professor für Molekular- und Zellbiologie in Harvard, sagt, dass Forscher in seinem Labor unter der Leitung von Alex Shapson-Coe die Gehirnkarte erstellt haben, indem sie mit einem Elektronenmikroskop subzelluläre Bilder des Gewebes aufgenommen haben. Das Gehirngewebe der 45-jährigen Frau war mit Schwermetallen gefärbt, die sich an die Lipidmembranen der Zellen binden. Dies geschah, damit die Zellen unter einem Elektronenmikroskop sichtbar waren, da Schwermetalle Elektronen reflektieren.
Anschließend wurde der Stoff mit Harz beschichtet, sodass er in sehr dünne Scheiben mit einer Dicke von nur 34 Nanometern geschnitten werden konnte (zum Vergleich: Die Dicke eines herkömmlichen Blattes Papier beträgt etwa 100.000 Nanometer). Dies geschah, um die Kartierung zu vereinfachen, erklärt Berger, um ein 3D-Problem in ein 2D-Problem umzuwandeln. Anschließend machte das Team elektronenmikroskopische Bilder von jedem 2D-Schnitt, was einer Datenmenge von 1,4 Petabyte entsprach.
Mit diesen Bildern taten die Harvard-Forscher das, was viele von uns tun, wenn sie mit einem Problem konfrontiert werden: Sie wandten sich an Google. Ein Team des Technologieriesen unter der Leitung von Viren Jain hat 2D-Bilder mithilfe von Algorithmen für maschinelles Lernen ausgerichtet, um 3D-Rekonstruktionen mit automatischer Segmentierung zu erstellen, bei der Komponenten eines Bildes (z. B. verschiedene Zelltypen) automatisch differenziert und kategorisiert werden. Ein Teil der Segmentierung erforderte, was Lichtman als „Ground-Truth-Daten“ bezeichnete, was Berger (der eng mit dem Google-Team zusammenarbeitete) dazu zwang, einen Teil der Struktur manuell neu zu zeichnen, um die Algorithmen besser zu informieren.
Die digitale Technologie, erklärt Berger, ermöglichte es ihm, alle Zellen in dieser Gewebeprobe zu sehen und sie je nach Größe unterschiedlich zu färben. Herkömmliche Methoden zur Abbildung von Neuronen, beispielsweise das Färben von Proben mit einer Chemikalie namens Golgi-Farbstoff, die seit mehr als einem Jahrhundert verwendet wird, lassen einige Elemente des Nervengewebes verborgen.