Allenův atlas mozku

Článek shrnuje informace a poznatky o základních funkcích mozku, o možnostech jeho měření, zobrazování a modelování. Seznamuje s relativně novým oborem Neuroinformatikou a ukazuje, jak osobnost a finanční podpora Paula Allena udala směr k dalším progresivním výzkumům nejen na poli medicínském ale i technologickém, zásluhou primárního projektu Allenova atlasu mozku. 

---

    

Autorka: Marta Valešová

Toto téma jsem si zvolila jako doplňující materiál k oblasti „Nové typy informatik.“ Jedná se o oborovou záležitost informačních studií, ale i dalších předmětů, které se explicitně problematice mozku věnují.

Mozek je komplikovaný lidský orgán, jehož činností je z fyziologického hlediska souhrn kombinace chemických přeměn a elektrických procesů. Změny v elektrochemické aktivitě jednotlivých částí mozku jsou korelovány s dovednostmi nebo smyslovými vjemy neboli s mozkovou aktivitou.

Mozek se skládá z 10¹¹ (100 miliard) mozkových buněk, ve kterých probíhá elektrická aktivita (komunikace) prostřednictvím elektrických signálů.  Všechny neurony nejsou stejného charakteru, je jich asi 1 milion typologicky rozdílných. Na jeden typ připadá průměrně asi 100 tisíc neuronů, např. pyramidální neurony podněcují elektrickou aktivitu mozkové kůry a inhibiční neurony kontrolují komunikaci mezi sousedními neurony. Kontaktním bodem pro komunikaci neuronů, což je pro bližší představu propojení s několika tisíci dalších, je synapse, těch je v mozku 10¹⁵ a zajišťují výstup z neuronů.

V mozku jsou vedle neuronů i podpůrné buňky – neuroglie (je jich 10¹¹), ty mají vliv na vývoj mozku, na růst neuronů, provádí jejich údržbu a odstraňují odumřelé neurony. Dlouho panovala domněnka, že jsou pasivní, ale zjistilo se, že neuroglie s neurony komunikují a ovlivňují jejich aktivitu.

Mozek tvoří rozmanitá síť neuronů odlišných tvarů a velikostí, které se diferencují nejen podobou, ale i svými dispozicemi a spoluprací s jinými mozkovými buňkami, které jsou podmíněny genovými dědičnými informacemi každého jedince.

Mozkovou elektrickou aktivitu lze měřit, nejpřesnější, ale drastické, je zavedení elektrod do mozkové tkáně, kdy lze následně měřit elektrický potenciál jednoho určitého neuronu nebo zóny menšího kvanta neuronů. Tato metoda je u lidí využívána při operacích zcela ojediněle. Používá se spíše při výzkumu potkanů vpuštěných do bludiště, kdy je snímána jejich mozková činnosti při normálním jednání.

Další metodou je studie mozkových plátků zvířete, kde se získávají elektrofyziologická data z jeho mozku. Mozek se rozřeže na malé plátky, ty se izolují, dají do fyziologického roztoku a následně se pozorují. Neurony v těchto plátcích žijí ještě několik hodin a vykazují elektrickou aktivitu.

Elektrická encefalografie je další možností, kdy se na povrch hlavy přikládají elektrody, které měří elektroaktivitu mnoha (milionů) neuronů mozkové kůry. Tato metoda je nejčastěji využívána při epilepsii nebo při poruchách spánku.

Funkční magnetická rezonance je nepřímým ukazatelem elektrické aktivity, která nedetekuje elektrické pole, ale průchod krve (aktivita neuronů zvyšuje průtok krve). Ta na rozdíl od elektrické encefalografie neměří aktivitu pouze na povrchu mozku, ale vhlíží do hloubky, problémem je nízké časové rozlišení.

Činnost mozku lze zachytit adekvátním počítačovým modelováním, kterému se věnuje relativně nový vědní obor neuroinformatika [1].

Neuroinformatika je interdisciplinární věda, která souvisí s řadou dalších oborů jako např. neurověda, informatika, medicína, biologie a další. Za své hlavní cíle si tento obor stanovil systematické vytváření databází, nástrojů a modelů pro integraci nových dat a poznatků o fungování mozku pro další aplikování při neurologických onemocněních. Zabývá se především možnostmi využití výpočetní techniky pro medicínu, kdy díky pokročilým informačně komunikačním technologiím se snaží zachytit funkce mozku odpovídajícím počítačovým modelováním. Zaměřuje se na modelování neuronů, metody učení na buněčné úrovni, zpracováním signálů neuronů a kódováním a dekódováním informace v mozku. Průnik výzkumu v oblasti neurověd a informatiky je bilaterálně přínosný, neboť přináší nové, obtížně získatelné, poznatky o fungování mozku a zároveň se podílí na rozvoji a vývoji metod pro analýzy a modelování.

Neuroinformatika se inspirovala Bioinformatikou, která se zabývá přečtením lidského genomu (genetikou) a oborem Umělých neuronových sítí. Zde by se na první pohled mohlo zdát, že to jsou společné, propojené obory. Ovšem obor Umělých neuronových sítí je spíše součástí informatiky a aplikované matematiky. Jeho systémy se inspirují v informacích, jak to funguje v mozku. Tento obor se uplatňuje např. v automatizovaném rozpoznávání obrazu nebo expertních systémech  schopných se učit. Nejde mu o simulaci mozkové činnosti, inspiruje se informacemi o mozku a ty následně upravuje z hlediska informatiky jako software pro určité dané účely.

Allenův atlas mozku (Allen Brain atlas)

Největší význam pro Neuroinformatiku měl zřejmě jeden z pilotních a dodnes nejvýznamnější projekt “ Allen Brain Atlas“ (Allenův atlas mozku), který odstartoval v roce 2003 a založení

The Allen Institute for Brain Science (Allenův Institut pro výzkum mozku)za iniciace a velké finanční podpory Paula Allena (spoluzakladatele Microsoftu s Billem Gatesem).  Počátky Allenova Institutu pro výzkum mozku korelují s osobními a životními zkušenostmi Paula Allena, kterému ve třiceti letech lékaři diagnostikován Hodgkinův lymfom, což je nádorové onemocnění mízních uzlin, z kterého se úspěšně vyléčil. Paul Allen v roce 2002 sezval na svou jachtu více než dvacet významných vědců, a z jejich diskuze vzešel impuls pro první projekt. Rozhodujícím stimulem pro jeho mecenášství na poli neurovědy bylo v následném roce stanovení diagnózy Alzheimerovy choroby u jeho matky a následná devastace její osobnosti touto nemocí. [2]

Tyto životní okolnosti Paula Allena odstartovaly činnost Institutu pro vývoj mozku za jeho finanční podpory, která činila 100 miliónů dolarů. Tato částka byla určena na projekt Allen Brain Atlas, který se zabýval výzkumem mozku. Projekt trval tři roky a pracovalo na něm více jak sto vědců, kteří zkoumali a mapovali mozek myší, který pracuje v mnoha ohledech obdobně jako lidský.  Jednotlivé myší mozky nejprve rozřezali na mikroplátky kolmo a vodorovně, ty byly vystaveny působení molekulární sondy a bylo zjištěno, že jednotlivé plátky se chemicky naváží na transkript určitého genu a následně se určilo, kde k této vazbě došlo. Výstupem bylo množství plátků mozku s různě vybarvenými neurony. Nečekaným překvapením pro výzkumníky byl fakt, že se v mozku stimuluje k aktivitě 80% všech myších genů, kdežto jejich předpoklad byl, že to bude něco kolem 50%. Rovněž vědci zjistili, že neurony zajišťující základní životní procesy, pracují ve všech buňkách a některé se aktivizují jen na několika málo lokalitách, buňky, které relativně neměly mnoho společného disponovaly shodnou škálu genů a jak tvrdí vědci patřily ke stejnému „klanu“ a vedle toho buňky, o kterých se domnívali, že jsou shodné, se diferencovaly činností genů a v mozku realizovaly odlišné úkoly.

Projekt byl systematický, bylo odhaleno a určeno 21.000 genů myší. Konečným produktem projektu byl atlas, trojrozměrná galerie s 85 miliony obrázků, které ukazovaly, jaký gen je aktivován v které části mozku. Oficiální název těchto získaných výstupů je Allenův atlas mozku (http://mouse.brain-map.org/).  Výzkum probíhal v šesti vrstvách mozkové kůry a odhalil různé typy neuronů exspirovaných různými geny v různých vrstvách.

Allenův atlas mozku zachytil činnost mozku u samců myší stejného věku. Nezabýval se změnou aktivit mozku u odlišného pohlaví nebo rozdílného věku myší. Je to vlastně zachycení momentálního stavu mozku.[3]

Celkový objem získaných dat z projektu byl 600 terabytů a 1/3 z rozpočtu (ze 100 milionů) byla použita na vývoj potřebného softwaru.

Tento atlas myšího mozku byl zpřístupněn v roce 2004 a je volně dostupný na internetu, neboť celý projekt byl otevřený a všechna data byla zveřejňována pro další využití.

Hodnota celého projektu spočívala v tom, že se podařilo zmapování různovrstev neuronů, byly identifikovány různé typy neuronů a jejich provázanost s genomy. Byly vytvořeny 3D obrazce genové exprese [4], což znamená proces, jakým je v genu uložená informace převedena v reálně existující buněčnou strukturu nebo funkci, což může pomoci při poruchách vývoje mozku.  

Relativně podobné atlasy mozků již existovaly, ale tento Allenův se na rozdíl od nich snažil o přiřazení genů k jednotlivým neurodegenerativním a duševním chorobám a poruchám mozku (např. Alzheimerova choroba, Downův syndrom, Parkinsonova choroba, epilepsie, autismus), což může značně zlepšit přesně cílenou farmakologickou léčbu na určitou postiženou část neuronů.

Tento projekt je od počátku kontinuálně spjat s Allenovým Institutem pro výzkum mozku, do něhož Paul Allen investoval již přes 500 milionů dolarů na další výzkumy. Zde se soustřeďují přední odborníci z příbuzných oborů zkoumajících činnost mozku a na základech primárního projektu odkrývají další tajemství ukrytá v tomto nejsložitějším a nejdůležitějším lidském orgánu.

V návaznosti na tento projekt se zkoumal mozek u myší v embryonálním vývoji, pro potvrzení získaných výsledků se prozkoumal mozek makaka.

Institut prozkoumal, vyvinul a v roce 2011 veřejnosti zpřístupnil počítačový atlas lidského mozku (http://human.brain-map.org/). Vědci prozkoumali anatomii a zmapovali biochemii mozku dvou dospělých lidí mužského pohlaví. Při zkoumání zjistili, že jsou si oba velmi podobné, že mezi nimi existuje 94% paralela a že se v mozku vyskytuje nejméně 82% všech lidských genů.[5]

V roce 2012 přední představitelé Allenova Institutu zveřejnili informaci o desetiletém plánu této instituce, ve kterém si vytýčili řešení nejsložitějších otázek výzkumu mozku např. optogenetiku  (hlubokou stimulaci mouku pomoci světla), konektomiku (studium toho, jak je mozek uvniitř „zadrátován“) a pozorování dění v mozku v reálném čase. [6]

Kromě toho se budou odborníci zaobírat otázkami porozumění – jak mozek pracuje s informacemi, co jsou jeho buněčné základy a proč jsou některá místa ohrožena mozkovými nemocemi a na čem je závislé chování, myšlení a další mozkové funkce. Odpovědi na tyto otázky by měly přinést poznatky o primárních zákonitostech korigujících funkce mozku.

Spojení neurověd, dalších příbuzných oborů a informatiky zapříčiňuje zásluhou nových projektů a výzev i vývoj nových nástrojů a technologií, které budou napomáhat v akceleraci progrese na globální úrovni, což dokazují další zveřejněné výsledky od různých výzkumných týmů z celého světa. Pro názornost lze uvést např. BigBrain (https://bigbrain.loris.ca/main.php), tedy velký mozek, což je elektronický atlas samozřejmě dostupný všem, který vznikl z mozku pětašedesátileté ženy bez zjevných neurologických a duševních problémů.  Ten byl zalitý do parafínu a následně byl na speciálním přístroji rozřezán na tenké plátky (7.404). Pro odstranění nechtěné případné devastace některých vzorků, přistoupili vědci před prováděným řezem k vytvoření trojrozměrného modelu. Výsledkem byla trojrozměrná databáze, kde můžete procházet jednotlivými částmi mozku. [7]

Dalším významným projektem na tomto poli výzkumu je evropský projekt BRAINPATH, který se zaměřuje na patologické stavy mozku jako je např. Alzheimerova choroba nebo nádor mozku. [8] Následují i další aktivity nejen v USA, ale i v Evropě, kde jsou vypsány různé projekty a přichází podpora pro další výzkumné iniciace (Human Brain Project [9], BRAIN INITIATIVE [10]), pro další bádání na poli funkcí, činnosti a souvislostí lidského mozku na primární celulární úrovni.

Problematika zkoumání mozku prostupuje komplexně téměř všemi oblastmi lidské činnosti. Mozková činnost je základem pro fungování člověka, a z uvedených projektů je zřejmé, že ačkoli je na zkoumání mozku a jeho činnosti alokováno obrovské množství finančních prostředků, známe zatím pouze částečnou prevenci pro některá onemocnění. Ke komplexnějšímu poznání a vyléčení neurologických poruch vede ještě dlouhá cesta, ke které Allenův atlas mozku a projekty typu
„human.brain.org“ přispívají.

 Autorka: Marta Valešová

 

Citace

[1] ZÁPOTOCKÝ, Martin. Neuroinformatika a modelování činnosti mozku. Praha: Akademie věd České republiky, 2011. Dostupné také z: http://popularizace.avcr.cz/akce-pro-skoly/tyden-mozku/zaznamy-z-prednasek/2011/110317-neuroinformatika-zapotocky.html

[2] RATLIFF, Evan. THE DISCOVER INTERVIEW. Discover [online]. 2007, 28(4), 60-63 [cit. 2016-02-10]. ISSN 02747529. Dostupné z: http://web.b.ebscohost.com/ehost/detail/detail?vid=39&sid=d93ad624-a2c3-44c7-8a2b-7a6dca8e2c6b%40sessionmgr111&hid=125&bdata=Jmxhbmc9Y3Mmc2l0ZT1laG9zdC1saXZl#AN=24413955&db=a9h

 [3] LEIN, Ed S. Genome-wide atlas of gene expression in the adult mouse brain. Nature [online]. 2007, 445(7124), 168-176 [cit. 2016-02-10]. DOI: 10.1038/nature05453. ISSN 00280836. Dostupné z: http://web.b.ebscohost.com/ehost/pdfviewer/pdfviewer?vid=42&sid=d93ad624-a2c3-44c7-8a2b-7a6dca8e2c6b%40sessionmgr111&hid=125

 [4] ŠÍPEK, Antonín. Genová exprese. In: Genetika – Biologie: Váš zdroj informací o genetice a biologii [online]. genetika-biologie.cz, ©2010-2014 [cit. 2016-02-10]. Dostupné z: http://www.genetika-biologie.cz/genova-exprese

 [5] „More Complex Than a Galaxy“: New Insights Into the Enormous Biochemical Complexity of the Human Brain. In: The daily galaxy: Great discoveries channel [online]. The Daily Galaxy, 2012 [cit. 2016-02-10]. Dostupné z: http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2012/09/-the-most-complex-organ-in-the-milky-way-new-insights-into-the-enormous-biochemical-complexity-of-th.html

 [6] HERPER, Matthew. Billionaire Paul Allen Pours $500 Million Into Quest To Find The Essence Of Humanity In The Brain. Forbes.com [online]. 2012, 190, 13-14 [cit. 2016-02-10]. Dostupné z: http://www.forbes.com/sites/matthewherper/2012/03/21/billionaire-paul-g-allen-donates-300-million-in-brain-research-to-understand-what-makes-us-human/#692eb05b906a

 [7] SHEN, Helen. Whole human brain mapped in 3D: Ten-year ‚BigBrain‘ effort yields 1-trillion-byte atlas of fine-scale cerebral anatomy. Nature: International weekly journal of science [online]. © 2016 Nature Publishing Group, 2013 [cit. 2016-02-10]. ISSN 0028-0836. Dostupné z: http://www.nature.com/news/whole-human-brain-mapped-in-3d-1.13245

 [8] Výzkum mozku je víc IN než kdy předtím: BRAINPATH – Molekulární zobrazování patofyziologie mozku. In: Karolina’s Journey [online]. KAROLINAS.NET, 2016 [cit. 2016-02-04]. Dostupné z: http://karolinas.net/cs/doma/vyzkum-mozku-je-vic-in-nez-kdy-predtim-brainpath–molekularni-zobrazovani-patofyziologie-mozku-c225.htm

[9] Human Brain Project [online]. EU: Human Brain Project., 2013 [cit. 2016-02-04]. Dostupné z: https://www.humanbrainproject.eu/

[10] Human Brain Project [online]. EU: Human Brain Project., 2013 [cit. 2016-02-04]. Dostupné z: https://www.humanbrainproject.eu/

 

Související zdroje

HERPER, MATTHEW. REVERSE ENGINEERING THE BRAIN. Forbes[online]. 2012, 190(6), 72-77 [cit. 2016-02-10]. ISSN 00156914. Dostupné z: http://web.b.ebscohost.com/ehost/pdfviewer/pdfviewer?vid=2&sid=d93ad624-a2c3-44c7-8a2b-7a6dca8e2c6b%40sessionmgr111&hid=125

Internetový atlas mozku propojuje anatomii s geny: Výzkum on-line. In: Týden.cz [online]. Praha: EMPRESA MEDIA, 2011 [cit. 2016-02-04]. Dostupné z: http://www.tyden.cz/rubriky/zdravi/zdravi/internetovy-atlas-mozku-propojuje-anatomii-s-geny_198969.html

JONES, Allan R. The Allen Brain Atlas: 5 years and beyond. Nature Reviews Neuroscience [online]. 2009, 10(11), 821-828 [cit. 2016-02-10]. DOI: 10.1038/nrn2722. ISSN 1471003X. Dostupné z: http://web.b.ebscohost.com/ehost/pdfviewer/pdfviewer?vid=14&sid=d93ad624-a2c3-44c7-8a2b-7a6dca8e2c6b%40sessionmgr111&hid=125

KEIL, Josef. Miliardář Paul Allen poskytne neuvěřitelných 500 milionů na výzkum mozku. In: Makropulos [online]. Praha: Sdružení MAKROPULOS, 2012 [cit. 2016-02-04]. Dostupné z: http://www.makropulos.cz/paul-allen-poskytne-500-milionu-na-vyzkum-mozku.htm

LÁZŇOVSKÝ, Matouš. Blízká budoucnost anatomie: mozek v parafínu nakrájený na tenké plátky. In: Technet.cz [online]. Praha: MAFRA, 2016 [cit. 2016-02-04]. Dostupné z: http://technet.idnes.cz/atlas-mozku-ch0-/veda.aspx?c=A130709_163155_veda_mla

LEIN, Ed. THE GENETIC GEOGRAPHY OF THE BRAIN. Scientific American [online]. 2014, 310(4), 70-77 [cit. 2016-02-10]. ISSN 00368733. Dostupné z: http://web.b.ebscohost.com/ehost/detail/detail?vid=45&sid=d93ad624-a2c3-44c7-8a2b-7a6dca8e2c6b%40sessionmgr111&hid=125&bdata=Jmxhbmc9Y3Mmc2l0ZT1laG9zdC1saXZl#AN=94982373&db=a9h

PETR, Jaroslav. : Genetický atlas mozku. In: OSEL: Objective Source E-learning [online]. Praha: Osel, 2006 [cit. 2016-02-04]. Dostupné z: http://www.osel.cz/2302-geneticky-atlas-mozku.html

WHAT IS THE BRAIN INITIATIVE? The BRAIN Initiative [online]. New York: THE BRAIN INITIATIVE, 2013 [cit. 2016-02-04]. Dostupné z: http://www.braininitiative.nih.gov/?AspxAutoDetectCookieSupport=1