Milimetr sześcienny ludzkiego mózgu

Próbka

45-letnia kobieta chorowała na padaczkę, której nie dawało się opanować lekami. Ognisko padaczki leżało w hipokampie, a żeby do niego dotrzeć, chirurdzy musieli usunąć fragment kory, który nad nim leżał. Ten fragment trafiłby do utylizacji, ale w ciągu kilku minut utrwalono go, wybarwiono metalami ciężkimi, zatopiono w żywicy i pocięto na 5019 plastrów o średniej grubości 33,9 nanometra. Każdy z nich sfotografował wielowiązkowy mikroskop elektronowy w rozdzielczości 4 nanometrów na piksel.

Blok pochodzi z przedniej części zakrętu skroniowego środkowego i obejmuje całą grubość kory, od powierzchni aż do istoty białej. Neuropatolog zbadał tkankę i uznał ją za prawidłową. Blok ma nieco ponad milimetr sześcienny, czyli mniej więcej tyle co ziarnko gruboziarnistego piasku, a jego zdjęcia zajęły 1,4 petabajta.

Ta strona pokazuje to, co z tej próbki zrekonstruowano, czyli mniej więcej jedną milionową część jednego ludzkiego mózgu.

Neuronów jest tu mniejszość

Zespół H01 udostępnił spis wszystkich 49 379 ciał komórek z tego bloku. Gdy pogrupujesz je według rodzaju, kawałek ludzkiej kory okazuje się zupełnie inny, niż zwykle go sobie wyobrażamy.

Dlaczego takie grupy. Spis ciał komórek wymienia 11 klas, ale nie mówi, które z nich są neuronami. Przyjęty tu podział jako jedyny odtwarza z tego spisu, co do pojedynczej komórki, liczby podane w pracy, czyli 16 087 neuronów, 32 315 komórek glejowych i 10 531 neuronów kolczystych. Rozstrzyga klasa komórek w kształcie litery C, bo policzona z neuronami nie zgadza się z żadną z tych sum, a policzona z glejem odtwarza wszystkie trzy. Autorzy pracy zaliczają ją więc do gleju i tak samo robi ta strona.

Same oligodendrocyty są liczniejsze niż wszystkie neurony tego bloku razem wzięte. To one wytwarzają mielinę i najgęściej skupiają się tam, gdzie aksony opuszczają korę, dlatego gdy na scenie u góry zostawisz tylko je, same zarysują Ci istotę białą.

Po jednej z każdego rodzaju

Każdą z 11 klas reprezentuje tu jedna komórka, wybrana tak, żeby była dla swojej klasy typowa, a nie wyjątkowo duża ani wyjątkowo mała. Wszystkie mają na ekranie tę samą wysokość bez względu na prawdziwy rozmiar, bo oligodendrocyt o rozpiętości 44 mikrometrów obok komórki piramidowej o rozpiętości 509 mikrometrów zmieściłby się w jednym pikselu.

Jak zmierzyć głębokość

Głębokość w korze liczy się od powierzchni mózgu, ale w tym bloku nie da się jej odczytać z żadnej osi, bo blok jest przechyloną płytą, a powierzchnia kory zakrzywia się w jego wnętrzu. Dlatego głębokość każdej komórki zmierzono tu osobno, jako jej prawdziwą odległość od zewnętrznej powierzchni warstwy I, a tabela poniżej pokazuje, na jakiej głębokości zaczyna się i kończy każda warstwa.

Głębokość każdej komórki to jej prawdziwa odległość od zewnętrznej powierzchni obszaru warstwy I zapisanego w wydaniu danych, czyli płatka o powierzchni około jednej trzeciej milimetra kwadratowego. Poprawność tej metody potwierdza to, że niczego nie trzeba było dopasowywać, bo zmierzona w ten sposób dolna krawędź każdej warstwy trafia na górną krawędź następnej z dokładnością do kilkudziesięciu mikrometrów, przez całą grubość kory.

Jedyne pasmo, któremu nie należy ufać, to warstwa I. Tylko 78 procent komórek oznaczonych jako warstwa I leży wewnątrz jej trójwymiarowego obrysu, podczas gdy w pozostałych warstwach ten odsetek wynosi od 85 do 99 procent, a 7 procent tych komórek nie mieści się w obrysie żadnej warstwy i leży gdzieś w narożnikach bloku. Ta etykieta działa więc po części jak worek na resztę, dlatego pasma warstwy I nie zaznaczono na drabinach głębokości na tej stronie, zamiast rysować je tak, jakby było równie pewne jak pozostałe.

104 komórki sprawdzone ręcznie

Prawie każdą komórkę w tym bloku zrekonstruowała maszyna i nikt jej potem nie sprawdzał. 104 komórki ludzie prześledzili ręcznie, gałąź po gałęzi, wycinając każde błędne sklejenie i dokładając każdy brakujący fragment, i to właśnie je zobaczysz poniżej, razem z liczbami, które podają dla nich autorzy wydania.

Każda komórka ma na ekranie tę samą wysokość bez względu na prawdziwy rozmiar, żeby nawet najmniejszą dało się dobrze obejrzeć, a jej prawdziwą rozpiętość podaje opis obok. Powierzchnia komórek jest na rysunku gładsza, niż widział ją mikroskop, ale żadnej gałęzi nie usunięto.

Drugi koniec skali

Wszystko powyżej mieści się w jednym milimetrze sześciennym, a strona o tym, jak wygląda istota biała całego mózgu, oddala widok o mniej więcej 8 rzędów wielkości. Zobaczysz tam 87 nazwanych pęczków włókien, uśrednionych u 1065 uczestników Human Connectome Project i umieszczonych w uśrednionej korze z tego samego projektu, a sygnał przebiega każdą drogą w czasie wyliczonym z jej prawdziwej długości.

Trzecia strona, mózg od mikrosekund do dekad, oddala widok wzdłuż zupełnie innej osi i ustawia 20 rzeczy, które robi mózg, według tego, jak są duże i jak długo trwają. Znajdziesz tam prawdziwy zapis ludzkiego potencjału czynnościowego i rytmu alfa, a także mielinę zmierzoną na przestrzeni sześćdziesięciu lat dorosłego życia.

Czwarta strona to mapa świata z tyłu Twojej głowy, czyli przestrzeń widzenia rozłożona na korze jednej, konkretnej osoby. Piąta prowadzi od całego mózgu do pojedynczej synapsy, przez 5 rzędów wielkości w jednym ruchu, a gdy klikniesz w niej mózg, dowiesz się, w które miejsce pola widzenia patrzy wybrany kawałek tkanki.

Sieć naczyń

Włącz naczynia krwionośne na scenie u góry. Według autorów pracy w tym jednym bloku mieści się około 230 milimetrów naczyń, czyli ćwierć metra rurek w ziarnku piasku, przewleczonych między komórkami tak, żeby żadna nie leżała daleko od dopływu krwi.

Ta sieć jest też fizycznym powodem, dla którego działa czynnościowy rezonans magnetyczny. Badanie fMRI nie widzi neuronów, tylko krew, która z kilkusekundowym opóźnieniem napływa tam, gdzie jest potrzebna, więc obserwuje właśnie tę sieć.

Czego na tej stronie nie zobaczysz

Wydanie danych H01 zawiera znacznie więcej, niż mieści ta strona. Same zdjęcia z mikroskopu elektronowego zajmują 1,4 petabajta i można je przeglądać w Neuroglancerze. Do tego dochodzi 149 871 669 automatycznie wykrytych synaps (111 272 315 uznano za pobudzające, a 38 599 354 za hamujące), każda osłonka mielinowa i pełna automatyczna rekonstrukcja tkanki, która liczy miliony fragmentów, a nie sto komórek.

Wszystkie dane na tej stronie wyciągnięto z wydania H01 2 skryptami z katalogu scripts/ w repozytorium projektu, a skrypty pokazują dokładnie, skąd pochodzi każda liczba. Niczego nie wygładzano, nie próbkowano ani nie dopisywano, a twierdzenia, których dane nie potwierdzały, usunięto, zamiast je przybliżać.