Sebuah teknologi yang didasarkan pada pengkodean batang DNA dapat dengan mudah menandai sejumlah koneksi yang belum pernah terjadi sebelumnya antara sel-sel otak individu. Kompleksitas yang tak terduga dari sistem visual hanyalah rahasia pertama yang dia temukan.
Duduk di sebuah meja di kantornya di kampus
Cold Spring Harbor Lab , ilmuwan saraf
Tony Zador mengarahkan monitor komputernya ke arah saya untuk menunjukkan grafik kompleks dalam bentuk matriks. Bayangkan spreadsheet yang bukan angka diisi dengan warna berbagai gradasi dan gradasi. Secara sepintas, dia berkata: "Ketika saya memberi tahu orang-orang bahwa saya telah memahami koneksi puluhan ribu neuron dan menunjukkan kepada mereka ini, sebagai tanggapan mereka hanya mengatakan" Ah? "Tetapi ketika saya menunjukkan kepada orang-orang ini ..." Dia menekan tombol dan layar transparan muncul model otak tiga dimensi, berputar di sekitar salah satu sumbu, diisi dengan simpul dan garis, dalam jumlah yang terlalu besar untuk dihitung. "Mereka berkata:" Apa ...! "
Zador menunjukkan padaku peta 50.000 neuron di korteks serebral tikus. Itu ditandai di atasnya di mana tubuh semua neuron berada, dan di mana mereka mengarahkan cabang akson panjang mereka. Peta neural dengan ukuran dan detail ini belum pernah ada sebelumnya. Zador meninggalkan pendekatan tradisional membangun peta otak melalui label fluoresensi neuron, dan memilih teknologi yang tidak biasa berdasarkan tradisi panjang penelitian biologi molekuler di Cold Spring Harbor di Long Island. Dia menggunakan partikel informasi genom untuk memperkenalkan urutan unik RNA, atau barcode, ke setiap neuron individu. Lalu dia memotong otak menjadi kubus dan mengumpankannya ke sequencer DNA. Hasilnya adalah gambar tiga dimensi dari 50.000 neuron dari korteks serebral tikus (dan segera akan ditambahkan lebih banyak ke mereka), dengan resolusi hingga sel-sel individual.
Karya ini,
magnum opus Zador, masih menjalani serangkaian penyempurnaan dan koreksi sebelum dipublikasikan. Tetapi dalam sebuah makalah baru-baru ini yang diterbitkan dalam jurnal Nature
, mereka dan rekan menunjukkan bahwa teknik ini, yang dikenal sebagai MAPseq (Analisis Proyeksi Multiplexed oleh Sequencing), dapat digunakan untuk mencari tipe dan pola sel baru yang sebelumnya tidak diketahui. . Juga ditunjukkan dalam penelitian ini bahwa metode penandaan yang sangat produktif ini bersaing ketat untuk keakuratan teknik fluoresens, yang merupakan standar saat ini, tetapi bekerja paling baik hanya dengan sejumlah kecil neuron.
Tony ZadorProyek ini lahir karena ketidakpuasan Zador dengan pekerjaan "utama" rutinnya sebagai ahli neurofisiologi, bagaimana ia berbicara datar tentang hal itu. Dia mempelajari pengaruh pendengaran pada pengambilan keputusan pada tikus: bagaimana otak mereka mendengar suara, memproses informasi audio dan menentukan respons atau tindakan perilaku. Catatan electrophysiological dan alat tradisional lainnya yang digunakan untuk memecahkan masalah seperti itu tidak memuaskan ilmuwan yang cenderung matematika. Masalahnya, kata Zador, adalah bahwa kita tidak begitu sadar akan koneksi saraf, sehingga sebagai pekerjaan paruh waktu dia mencoba menciptakan alat baru untuk memperoleh gambar otak.
Keadaan teknologi pemetaan otak canggih saat ini adalah proyek
Atlas Otak Allen dari atlas otak, yang dirakit sebagai hasil dari beberapa tahun bekerja di banyak laboratorium, dan menelan biaya sekitar $ 25 juta. Atlas Allen dikenal sebagai atlas koneksi massa karena melacak subpopulasi neuron dan senyawa kelompok. Dia sangat berguna bagi para peneliti, tetapi dia tidak dapat membuat perbedaan halus yang ada dalam kelompok atau subpopulasi neuron.
Jika kita ingin mengetahui bagaimana mouse mendengar getaran tinggi, memprosesnya dan memahami bahwa suara berarti penampilan hadiah dalam bentuk minuman yang menyegarkan, atau membentuk memori baru, untuk kemudian mengingat ancaman, kita perlu mulai dengan peta, atau diagram koneksi otak . Dari sudut pandang Zador, kurangnya pengetahuan tentang senyawa tersebut berperan dalam mengapa kemajuan dalam pengobatan penyakit kejiwaan sangat lambat dan mengapa kecerdasan buatan masih belum cukup cerdas.
Justus Kebskul , seorang ahli saraf di Universitas Stanford, penulis karya baru untuk Nature dan mantan mahasiswa pascasarjana di laboratorium Zadora, mencatat bahwa melakukan ilmu saraf tanpa mengetahui koneksi itu seperti "mencoba memahami bagaimana komputer bekerja dengan melihatnya dari luar, memasukkannya ke dalam sebuah elektroda dan mencoba memahami apa yang dapat ditemukan di sana. Tidak tahu bahwa hard drive terhubung ke prosesor, dan USB mentransfer data input ke sistem, sangat sulit untuk memahami apa yang terjadi. "
Inspirasi untuk pengembangan SAPsec datang ke Zador ketika dia mengetahui tentang teknologi pemetaan otak lainnya yang disebut
Brainbow [pewarnaan sel saraf dengan protein fluoresen dalam berbagai warna; otak - otak, pelangi - pelangi / sekitar. diterjemahkan.]. Metode ini, yang muncul di laboratorium
Jeff Lichtman dari Universitas Harvard, terkenal karena mampu menandai secara genetis hingga 200 neuron individu pada saat yang sama menggunakan kombinasi warna fluoresen yang berbeda. Hasilnya adalah gambar multi-warna yang indah dari neuron warna neon, menunjukkan secara rinci campuran kompleks akson dan tubuh neuron. Karya revolusioner ini memberi harapan bahwa tata letak
koneksi , deskripsi lengkap dari semua koneksi saraf otak, mendekati kenyataan. Sayangnya, keterbatasan teknologi ini dalam praktik adalah bahwa ketika dilihat melalui mikroskop, para peneliti dapat mengenali dari lima hingga sepuluh warna yang berbeda, yang tidak cukup untuk menembus seluk-beluk sel syaraf di korteks serebral dan untuk menandai banyak sel syaraf secara bersamaan.
Saat itulah muncul ide di kepala Zador. Dia menyadari bahwa masalah kompleksitas ekstrim dari penghubung bisa dijinakkan jika peneliti mampu beradaptasi untuk kebutuhan mereka dengan meningkatnya kecepatan dan penurunan biaya teknologi sekuensing genom yang sangat produktif. "Dalam matematika, ini disebut mengurangi masalah dengan yang sebelumnya sudah diselesaikan," jelasnya.
Dalam
SAPsec, para peneliti memperkenalkan virus yang dimodifikasi secara genetis ke hewan yang membawa banyak sekuens RNA, atau "barcode". Selama sekitar satu minggu, virus berkembang biak di tubuh hewan, dan mengisi setiap neuron dengan kombinasi unik dari barcode ini. Ketika peneliti kemudian memotong otak menjadi potongan-potongan, barcode RNA dapat membantu mereka melacak neuron individu dari potongan ke potongan.
Gagasan Zador menghasilkan
karya baru di Nature, di mana laboratorium dan timnya dari University College London, di bawah bimbingan ahli saraf
Thomas Marsik-Flögel, menggunakan SAPsec untuk melacak koneksi hampir 600 neuron dalam sistem visual mouse.
600 neuron adalah awal yang sederhana dibandingkan dengan puluhan juta neuron yang terkandung dalam otak tikus. Tapi ini sudah cukup untuk tujuan tertentu yang ditetapkan para peneliti untuk diri mereka sendiri. Mereka ingin memahami apakah ada struktur dalam sirkuit otak yang dapat menjelaskan pekerjaannya. Teori populer adalah bahwa dalam korteks visual, neuron individu mengumpulkan potongan informasi terpisah dari mata - tentang tepi benda yang terlihat, atau jenis gerakan, atau orientasi spasial, misalnya. Neuron kemudian mengirimkan sinyal ke satu area otak yang bersesuaian yang berspesialisasi dalam memproses informasi jenis ini.
Contoh bagaimana SAPsec dapat menentukan koneksi banyak neuron:
Titik-titik berwarna menunjukkan lokasi tubuh 50.000 neuron di korteks mouse
Koneksi akson dari hanya dua neuron berakhir di tempat lain di otak
Jalur saraf banyak neuronUntuk menguji teorinya, tim pertama kali menandai beberapa neuron tikus dengan cara tradisional, memperkenalkan pewarna fluoresen yang dikodekan secara genetik ke dalam sel-sel individual. Kemudian, dengan mikroskop, mereka melacak bagaimana sel-sel membentang dari korteks visual utama ke bagian lain dari otak. Mereka menemukan bahwa akson neuron bercabang dan mengirim informasi ke beberapa bagian otak sekaligus, yang membantah teori koneksi satu-ke-satu.
Kemudian mereka mulai mencari pola dalam hubungan ini. Mereka menggunakan SAPsec untuk melacak koneksi 591 neuron yang bercabang dan mempersarafi target yang berbeda. Tim melihat bahwa distribusi akson mematuhi keteraturan: beberapa neuron selalu memperluas akson ke bagian, katakanlah, A, B dan C, dan tidak pernah ke bagian D atau E.
Hasilnya menunjukkan bahwa sistem visual memiliki hubungan yang sangat kompleks dan bahwa pola-pola koneksi ini jauh lebih kompleks daripada hanya hubungan satu-ke-satu. "Area visual tingkat tinggi tidak hanya menerima informasi yang diproses secara khusus untuk mereka," kata Kebskul. Sebagai gantinya, banyak situs menerima informasi yang sama, "sehingga perhitungannya dapat saling terkait."
Namun, fakta bahwa sel-sel tertentu memiliki koneksi dengan daerah-daerah tertentu juga berarti bahwa sel-sel khusus, belum terbuka terletak di korteks visual. Kebskul mengatakan peta ini mirip dengan cetak biru yang akan memungkinkan para peneliti di masa depan untuk memahami apa yang dilakukan sel-sel ini. “SAPsec memungkinkan Anda membangun peta perangkat keras. Segera setelah kami berurusan dengan peralatan, kami dapat mulai bekerja dengan perangkat lunak dan proses perhitungan, ”katanya.
Keunggulan kompetitif SAPsec dalam kecepatan dan biaya sangat signifikan. Menurut Zador, teknologi ini seharusnya dapat meningkatkan skalanya hingga 100.000 neuron, memproses volume sedemikian dalam beberapa minggu dan hanya $ 10.000 - ini jauh lebih cepat daripada metode markup tradisional dan jauh lebih murah daripada mereka.
Keuntungan semacam itu akan membuat tugas menandai dan membandingkan jalur saraf banyak otak menjadi tugas yang lebih realistis. Studi tentang kondisi seperti
skizofrenia dan
autisme , yang diperkirakan muncul dari perbedaan koneksi otak, telah sering membuat para ilmuwan kesal karena alat yang tersedia bagi mereka tidak mampu mengenali banyak detail kecil mengenai koneksi saraf. Orang dapat membayangkan bahwa para peneliti akan dapat membuat peta kondisi-kondisi ini untuk tikus dan membandingkannya dengan contoh-contoh peta otak yang lebih khas, yang akan memacu gelombang penelitian baru. "Banyak penyakit mental disebabkan oleh masalah konektivitas," kata
Hon Kui Zen , direktur eksekutif departemen ilmu terstruktur dari Allen Institute for Brain Research. "Informasi hubungan akan memberitahumu di mana mencari jawaban."
Markup terperinci juga akan memungkinkan para ilmuwan untuk mengumpulkan sejumlah besar data neurobiologis dan mencari pola di antara mereka yang mencerminkan prinsip-prinsip umum fungsi otak. "Tony menatap otak dengan pandangan tidak terdistorsi," kata
Shrikant Chalasani , seorang ilmuwan saraf molekuler di Salk Institute. "Sama seperti peta genom manusia memberikan dukungan untuk menguji hipotesis dan mencari pola dalam urutan dan kerja gen, sehingga metode Tony dapat melakukan hal yang sama untuk masalah arsitektur otak."
Peta terperinci genom manusia tidak secara instan menjelaskan semua misteri pekerjaan biologi, tetapi memberikan daftar "suku cadang" biomolekuler dan membuka jalan bagi
galaksi penelitian revolusioner . Demikian pula, pada tahap pengembangan saat ini, SAPsec tidak dapat memberikan informasi tentang operasi atau lokasi sel yang dilabeli, atau menunjukkan sel mana yang berkomunikasi satu sama lain. Tetapi Zador berencana untuk segera menambahkan fungsionalitas tersebut. Dia juga bekerja dalam kolaborasi dengan para ilmuwan yang mempelajari berbagai bagian otak, misalnya, koneksi saraf yang memproses rasa takut.
“Saya pikir dari semua ikatan ini akan mungkin untuk menggali banyak ide. Tapi ini, seperti halnya genom - itu sendiri bukanlah sesuatu yang menarik, hal-hal yang memungkinkan Anda lakukan adalah revolusioner. Karena itu, saya sangat senang, ”kata Zador. "Saya berharap bahwa teknologi ini akan memberikan dukungan untuk generasi pekerjaan berikutnya di bidang ini."