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Cubic millimetre of brain mapped in spectacular detail

Google scientists have modelled a fragment of the human brain at nanoscale resolution, revealing cells with previously undiscovered features.

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연구자들은 인간 두뇌의 아주 작은 부분을 놀랍도록 자세하게 지도화했습니다. 오늘 Science 1 에 설명되어 있고 온라인에서 볼 수 있는 결과 세포 지도는 뉴런이라고 불리는 뇌 세포뿐만 아니라 자신을 감싸서 매듭을 형성하는 세포, 그리고 거의 거울 이미지인 뉴런 쌍 사이의 새로운 연결 패턴을 보여줍니다. 서로.

3D 지도는 전체 뇌의 100만분의 1에 해당하는 약 1입방밀리미터의 부피를 차지하며 대략 57,000개의 세포와 1억 5천만 개의 시냅스(뉴런 사이의 연결)를 포함합니다. 이는 1.4페타바이트에 달하는 엄청난 양의 데이터를 통합합니다. 캘리포니아주 마운틴뷰에 위치한 Google의 신경과학자이자 논문의 공동 저자인 Viren Jain은 "이것은 약간 겸손한 일입니다."라고 말합니다. “우리는 이 모든 복잡성을 어떻게 실제로 받아들일 수 있을까요?”

45세 여성이 간질 치료를 위해 수술을 받았을 때 뇌 조각을 채취했다. 이는 학습, 문제 해결 및 감각 신호 처리에 관여하는 뇌의 일부인 피질에서 나왔습니다. 샘플을 방부제에 담그고 중금속으로 염색하여 세포를 더 쉽게 볼 수 있도록 했습니다. 매사추세츠 주 케임브리지 소재 하버드 대학교의 신경과학자 Jeff Lichtman과 그의 동료들은 샘플을 전자 현미경을 사용하여 이미지화할 수 있는 약 5,000개의 조각(각각 두께가 34nm에 불과함)으로 자릅니다.

그런 다음 Jain의 팀은 현미경 이미지를 함께 연결하여 전체 샘플을 3D로 재구성할 수 있는 인공 지능 모델을 구축했습니다. Jain은 “저는 이 순간을 기억합니다. 지도로 가서 이 여성의 뇌에서 개별 시냅스를 본 다음 다른 수백만 개의 픽셀을 확대해 본 것입니다.”라고 Jain은 말합니다. “일종의 영적인 느낌이 들었습니다.

모델을 자세히 조사한 결과 연구원들은 서로 최대 50개의 연결을 구성하는 일부 뉴런을 포함하여 색다른 뉴런을 발견했습니다. “일반적으로 두 개의 뉴런 사이에는 많아야 두 개의 연결을 찾을 수 있습니다.”라고 Jain은 말합니다. 다른 곳에서 모델은 주변에 매듭을 형성하는 덩굴손을 가진 뉴런을 보여주었습니다. Jain은 “이전에 이런 것을 본 사람은 아무도 없었습니다.”라고 덧붙였습니다.

연구팀은 또한 서로 거의 완벽한 거울상인 뉴런 쌍을 발견했습니다. "우리는 수상돌기를 서로 다른 두 방향으로 보내는 두 그룹을 발견했으며 때로는 일종의 거울 대칭이 있었습니다"라고 Jain은 말합니다. 이러한 기능이 뇌에서 어떤 역할을 하는지는 확실하지 않습니다.

지도가 너무 커서 대부분이 아직 수동으로 확인되지 않았으며, 너무 많은 이미지를 함께 연결하는 과정에서 생성된 오류가 여전히 포함될 수 있습니다. "수백 개의 세포가 '교정'되었지만 분명히 거기에 있는 50,000개의 세포 중 몇 퍼센트에 불과합니다."라고 Jain은 말합니다. 그는 다른 사람들이 관심 있는 지도 부분을 교정하는 데 도움이 되기를 바라고 있습니다. 팀은 다른 사람들로부터 유사한 뇌 샘플 지도를 생성할 계획이지만 앞으로 수십 년 안에 전체 뇌의 지도가 나올 가능성은 낮다고 그는 말했습니다.

시애틀에 있는 Allen Institute for Brain Science의 소장인 Hongkui Zeng은 “이 논문은 정말로 인간 피질 데이터 세트의 역작”이라고 말합니다. 자유롭게 접근할 수 있는 방대한 양의 데이터를 통해 "커뮤니티는 인간 피질의 미세 회로를 더 깊이 살펴볼 수 있게 될 것"이라고 그녀는 덧붙입니다.

피질이 어떻게 작동하는지 더 깊이 이해하면 일부 정신 질환과 신경퇴행성 질환을 치료하는 방법에 대한 단서를 얻을 수 있습니다. "이 지도는 신경 연결의 새로운 규칙을 밝히고 인간 두뇌의 내부 활동을 해독하는 데 도움이 될 수 있는 전례 없는 세부 정보를 제공합니다."라고 허쉬에 있는 펜실베니아 주립 대학의 신경과학자 김용수는 말합니다.