Neuropedia

Sebastian Seung | I am my connectome Posted Sep 2010 سباستین سونگ: من یعنی کانکتوم من سباستین سونگ در حال انجام پروژه ای بسیار بلندپروازانه است که هدف آن ارائه مدلی از مغز بر پایه نقشه اتصالات میان تک تک نورون هاست. او این نقشه را "کانکتوم" می نامد، ماهیتی که برای هر کس به اندازه ژنوم او شخصی است و شناخت آن میتواند راههای تازه ای را در شناخت مغز و اندیشه ما بگشاید.

کانکتوم (CONNECTOME) به یک نقشه جامع از اتصالات نورون در مغز کانکتوم می‌گویند که با نام «دیاگرام اتصالات» نیز شناخته می‌شود. به زبان جامع‌تر یک کانکتوم تمام اتصالات نرونی درون مغز یک موجود زنده را شامل می‌شود. مطالعه و تولید کانکتوم را کانکتومیست می‌نامند که می‌تواند از محدوده جزئیات زیاد که بیان کامل اتصالات تک نورن هاست شروع شده و تا سطح ماکرو که اتصالات گروهی نرون‌های مربوط به یک فعالیت می‌باشد ادامه یابد. اتصالات در سطح ماکرو تمامی نواحی قشری و زیر قشری را شامل می‌شود. واژه کانکتوم اصولاً برای استخراج، نقشه‌برداری و مطالعه ارتباط‌های نرونی در مغز مورد استفاده قرار می‌گیرد. تاکنون یک کانکتوم کامل برای یک حیوان صورت گرفته‌است که توسط الگانس در مورد یک کرم روده انجام شده‌است. هم چنین در مورد یک موش در بخش قشری شبکیه چشم و هم چنین بخش قشری بینایی آن کانکتوم کامل انجام گرفته‌است. هدف نهایی در کانکتوم نقشه‌برداری از کل مغز انسان می‌باشد. این هدف توسط پروژه کانکتوم انسان در مؤسسه سلامت ملی پیگیری می‌شود. به نظر برخی تلاش ها ناامیدکننده است. تقریباً دوازده سال طول کشید تا کانکتوم کرم C. elegans که فقط 300 نورون دارد (در مقایسه با 100 میلیارد ما). آزمایشگاه دکتر لیچمن در دانشگاه هاروارد اکنون در حال مقابله با مغز بزرگتر موش است. آزمایشگاه لیچمن با برداشتن برش های بسیار نازک از مغز موش ها ، از هر برش تصویری می گیرد و سپس دوباره آن را جمع می کند تا نقشه ای از تمام سلول های عصبی مغز و نقاط اتصال آنها به یکدیگر را ترسیم کند. دانشمندان می گویند ، برای ذخیره تصاویر مورد نیاز برای تشکیل تصویری از مکعب یک میلی متر مغز موش ، به حدود یک پتابایت حافظه کامپیوتر نیاز است. برای مقایسه ، فیس بوک حدود یک پتابایت فضای ذخیره سازی اطلاعات را برای نگهداری 40 میلیارد عکس نیاز دارد. (یک پتابایت 1.000.000.000.000.000 بایت داده است). لیچمن معتقد است که ساخت اتصالات ماوس چندین سال طول می کشد. اتصال انسانی در حال حاضر تنها یک رویا باقی مانده است. برای آشنایی عالی با کانکتوم و چگونگی مونتاژ آزمایشگاه لیچمن کانکتوموس ، به این سخنرانی عالی TED توسط سباستین سونگ مراجعه کنید. سونگ یک آزمایش جذاب برای ارزیابی اهمیت کانکتوم ارائه می دهد: دانشمندان پس از نقشه برداری از اتصال شخص ، باید بتوانند خاطرات را بخوانند (خاطرات در زنجیره اتصالات سیناپسی کدگذاری شده اند).

Karl Deisseroth Bringing CLARITY to brain research (English Subtitle)

مغز رنگین و شفاف ( Brainbow and Clarity) جین لیوت (Jean Livet) و همکارانش در دانشگاه هاروارد (2007) فناوری انتقال ژنی (transgenic technique) توسعه دادند و توانستند بسیاری از نورون های مختلف را با نشان دار کردن آنها توسط رنگ های متمایز برچسب گذاری کنند. این فناوری Brainbow یا همان "مغز رنگین" (برگرفته از کلمه rainbow به معنی رنگین کمان) نامیده شد. به همان روشی که یک صفحه تلویزیون فقط با مخلوط کردن قرمز، سبز و آبی طیف کاملی از رنگ هایی را که چشم انسان می تواند ببیند، تولید می کند. دانشمندان Brainbow ژن هایی را معرفی کردند که می توانند پروتئین هایی فلورسنت آبی، سبز، زرد و قرمز در نورون های موش تولید کنند. ژن قرمز از مرجان و ژن های آبی و سبز از عروس دریایی گرفته شدند. با توجه به عوامل تصادفی ، میزان فعال شدن هر ژن معرفی شده از نورونی به نورون دیگر متفاوت است، در نتیجه تشعشع نورونها در 100 نوع رنگ یا بیشتر حاصل می شد. وقتی از آنها در یک میکروسکوپ فلورسنتی حساس به این طول موج ها مورد مشاهده قرار گرفتند، به دلیل تفاوت در رنگ های مختلف، سلول های مغزی و ارتباطات آنها، به صورت مجزا از همدیگر قابل تصویر سازی هستند. با این حال یک مشکل وجود دارد، ردیابی دندریت ها و آکسون های یک نورون، مستلزم برش مغز به بخش های نازک و بازسازی نورون ها بر اثر برش های متوالی است که فرآیندی دشوار و زمان بر است. کانگون چانک (Kwanghun Chung) و همکارانش (2013) راه حلی برای این مسله پیدا کرده اند. آنها با استفاده از یک روش شیمیایی به نام "شفاف سازی" یا "CLARITY"، کل بافت مغز را به وسیله اتصال پروتئین های بافت مغزی به یک داربست میکروسکوپی (microscopic scaffold) سفت می کنند. سپس لیپیدها (چربی) را از بافت جدا می كنند كه باعث شفاف شدن مغز می شود اما نورون ها و اتصالات آن را در جای خود با همان شکل اصلی، حفظ می کند. با استفاده از میکروسکوپ فلورسنتی، هر عنصرعصبی یا شیمیایی با رنگ آمیزی فلورسنتی یا تکنیک Brainbow می تواند در کل مغز تصویر سازی شود. بنابراین، نورون هایی که با استفاده از Brainbow نشان دار و مشخص شده اند، می توانند به صورت کلی با اتصالاتی که دارند تصویر سازی شده و همانطور که در جایگاه خود قرار گرفته اند، با وضوح بیشتری نمایش داده شوند. روش CLARITY می تواند هر ماده شیمیایی یا نورونی را تصویر سازی کرده و می تواند در هر نوع مغزی بکار رود، مثل مغز انسان و یا حتی مغزهایی که سال ها در فرمالدئید نگه داری شدند را تصویرسازی کنند. بنابراین، حتی مغز بیماران مرده که از بیماری مغزی رنج می بردند و مغزهایی که متعاقباً در بانک های مغزی نگه داری می شوند، می توانند برای تعیین علل علائم بیماری آنها مورد بررسی قرار بگیرند. • Livet, J., T. A. Weissman, H. Kang, R.W. Draft, J. Lu, R. A. Bennis, J. R. Sanes, and J. W. Lichtman. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous system. Nature 450:56–62, 2007. • Chung, K., J. Wallace, S. Y. Kim, S. Kalyanasundaram, A. S. Andalman, T. J. Davidson, J. J. Mirzabekov, K. A. Zalocusky, J. Mattis, A. K. Denisin, S. Pak, H. Bernstein, C. Ramakrishnan, L. Grosenick, V. Gradinaru, and K. Deisseroth. Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature 497:332–337, 2013.

Brainbow and Clarity

Edward S. Boyden Massachusetts Institute of Technology 2016 Breakthrough Prize in Life Sciences https://breakthroughprize.org/Laureates/L166

Ed Boyden | A light switch for neurons Posted May 2011 اد بویدن: یک سوییچ برای روشن و خاموش کردن سلولهای عصبی اد بویدن نشان می‌دهد چگونه با وارد کردن ژنهای کد کنندۀ پروتئینهای حساس به نور به سلولهای مغز می‌توان بصورت گزینشی و با کاشت فیبر نوری سلولهای عصبی خاص را فعال یا غیرفعال کرد. با این درجۀ بی سابقه از کنترل او توانسته تا موشهای مبتلا به بیماری مشابه به اختلال فشار روانى پس آسيبى (PTSD) و انواع خاصی از نابینایی را درمان کند.