A konnektom olyan térképet jelent, amely egy adott élőlény idegrendszerének sejtjei között létrejövő kapcsolatokat mutatja be, az agy esetében a neuronok közti szinapszisokat. Ez csak egy adott pillanat lenyomata, hiszen egy élő rendszerben folyamatosan alakulnak ki az új kapcsolódások, de a kutatók mégis aktívan folytatják a munkát annak érdekében, hogy minél részletesebb térképet sikerüljön alkotni, mivel így az agy olyan működési folyamataiba nyerhetnek betekintést, amely eddig rejtve maradt a tekintetek előtt. Egy konnektom bemutathatja például egy betegség előtti és utáni állapotot, amiből ki lehet deríteni, hogyan változik a neuronok rendszere a kór miatt, vagy segíthet összeköttetést találni egy specifikus viselkedés és az annak alapját képező agyi területek között.

A probléma, hogy az összes idegsejt feltérképezéséhez olyan rendkívüli felbontású képekre lenne szükség, amelyek egészen a közelmúltig nem álltak rendelkezésre. A cél az emberi agy térképének megalkotása, de mivel ez 86 milliárd neuronból áll, ezért a kutatók először az egyszerűbb fajok egyedeinek agyával kezdték a munkát.

Az eddigi egyetlen élőlény, amelyről teljes konnektomot hoztak létre, a Caenorhabditis elegans fonálféreg.

Ezen még Sydney Brenner kezdett el dolgozni az 1970-es években és 1986-ra majdnem teljes egészében be is fejezte a térképet. A C. elegansnak azonban csak 302 neuronból áll az egész idegrendszere, amelyek 7000 kapcsolódási útvonalat alkotnak. Szintén folyamatban van az egér agyának leképzése, valamint a gyümölcslégy idegrendszerének vizualizációja, amelyről tavaly a Google és a Janelia Kutató Kampusz az eddigi legnagyobb és legjobb felbontású térképet mutatta be. A modell már 25 000 neuront jelenített meg, valamint ezeknek 20 millió szinapszisát.

A konnektomika tudományát ellenzők között azok a tudósok találhatóak, akik szerint ezek a rendkívüli pénzeket és időt felemésztő vizsgálatok igazából sehova sem vezetnek, mivel csak egy statikus képet adnak az idegrendszerről, nem a valóság változékony természetét mutatják be. Mark Humphries neurobiológus például több fórumon is kifejtette a véleményét a konnektomok általános céljának hiábavalóságáról, vagyis arról, hogy pusztán az agy térképe alapján próbáljanak meg a kutatók minden kérdésükre választ kapni az idegrendszerrel kapcsolatban. Szerinte két verzió létezhet: vagy egy specifikus konnektomot hoznak létre, amely bemutatja egy kis szeletét valamely faj valamely egyedének agyáról, vagy egy általános konnektomot, amelyet aztán alkalmaznak minden egyes egyed leírásához. Egyik megoldás sem tökéletes, mivel a rendszer annyira bonyolult és olyan eltérések lehetnek két élőlény között, még akkor is, ha egy fajhoz tartoznak, hogy általános következtetéseket nehéz levonni egyetlen modellből.

"Lehet, hogy a konnektomika azért létezik, hogy felfedezhessük a számítási logikát minden egyes agyi terület mögött. És hogy felfedezzük, hogy az agykérgünk nem csak 17 milliárd neuront tartalmaz, hanem 17 milliárd különálló számítógépet is."

- írta 2017-ben a Mediumon. A konnektomok azonban a szkepticizmus ellenére készülnek, ha pedig jut anyagi fedezet is a kutatásokra, akkor nagy előrelépésekre is van lehetőség. A Google és Harvard Egyetem Lichtman Laboratóriumának kutatói egy hete mutatták be az eddigi legnagyobb felbontású térképet az emberi agyról, ami összesen több tízezer neuron 130 millió szinapszisát vizualizálja (a gyümölcslégy agyának térképe 25 000 neuront és 20 millió szinapszist mutatott). A konnektom létrejötte elsősorban egy dolognak köszönhető, a technológia fejlődésének, amely lehetővé tette az automatizációt a hagyományos manuális munka helyett. A térképek rengeteg különböző, elektronmikroszkóp alatt készült képből állnak, melyek mindegyike 2D-ban jeleníti meg egy nagyon kis szeletét az agynak, ezek összefűzése után alakul ki a végső háromdimenziós struktúra.

Régebben ezt a lassú és frusztráló munkát egyesével válogatva, kézzel végezték a kutatók, de ilyen módon előállítani egy sok milliárd neuronos képet egy örökkévalóságba telne. Az említett fonálféreg konnektomját tizenöt évbe telt létrehozni. Az algoritmusok azonban most már megoldják a munkát a tudósok helyett, akiknek a végén már csak le kell ellenőrizniük, hogy nincsenek-e hibák a végeredményben. Az emberi agy H01 adatbázisa 1,4 petabájt helyet foglal, annak ellenére, hogy mindössze egy egészen kicsi részletet, egy köbmilliméternyi agykérget jelenít meg. A Google a felhasznált mintát a bostoni Massachusetts General Kórháztól kapta, ahol időnként az epilepsziával kezelt betegek agyából eltávolítanak egy kis részt, hogy jobban lássák, hogy a rohamok honnan indulnak ki. Ezek a szövetdarabok rendszerint feleslegessé válnak, így a kórház páciensei most az adományozás mellett döntöttek. A Lichtman Laboratóriumban ezt a mintát 5300, egyenként 30 nanométeres részre vágták fel, és egy szilícium alapra helyezve négy nanométeres felbontásban olvasták be. Ebből 225 millió kép jött létre, amelyet egyként kézzel összerakni hosszú időbe telt volna, de az algoritmus segítségével gyorsabban megoldották.

Az eredmény nem lett tökéletes, ezért a kutatóknak kellett kijavítani, akik közel ezer sejtet korrigáltak.

A térkép mindenki számára elérhető a Neuroglancer interfészen. A Google mesterséges intelligencia blogjának beszámolója szerint a konnektomot már használják különböző kutatásokban, hogy megvizsgálják az agykéreg rendszerének érdekes aspektusait és már új sejttípusokat is sikerült felfedezni a segítségével.

A továbbiakban a konnektom méretének növelése a cél, hiszen egyelőre a térkép az emberi agynak csak az egymilliomod részét mutatja. Ehhez azonban még meg kell alkotni egy megfelelő tárolórendszert, mivel ez az elenyészően kis részlet is másfél petabájtnyi tárolóhelyet foglal, és ezt milliós nagyságra kell felskálázni a teljes agy térképéhez. Bár ez valójában nem is tűnik olyan soknak, ha a más területen generált adatok méretét nézzük, összehasonlításképpen a Visual Capitalist 2019-es infografikája szerint csak a Facebook naponta 4 petabájt információt termel, a YouTube évente 100 petabájtot produkált egy 2015-ös felmérés szerint és a CERN Nagy Hadronütköztetője másodpercenként 7,5 terabájt adatot generál, bár, mivel ezzel a sebességgel évente nagyjából 400 000 petabájt adat keletkezne, még úgy is, hogy az évnek csak egy szakaszában használják a berendezést, ezért a adatok nagy részét, körülbelül 99.996%-át nem tárolják hosszú távon.

(Fotó: Wikimedia Commons, GettyImages/koto_feja)

További cikkek a témában:

Egyetlen kromoszóma irányíthatja emlékeink raktározását és előhívását A kutatók évekig tartó keresgélés után megfejtették az emlékek formálódásának molekuláris mechanizmusát.
Idegtudósok 14 éven keresztül tanulmányozták egy buddhista szerzetes agyát, és érdekes dolgot figyeltek meg A felfedezés közelebb vihet a szellemi fiatalság megőrzésének titkához.
Különös hasonlóság áll fenn az emberi agy és az Univerzum között Karambolozott egyet a kozmológia és az idegsebészet, aminek eredménye, hogy az agy és az Univerzum – ez két komplex rendszer megdöbbentő módon hasonlít egymásra.