Od Ziemi do synapsy

Jednym ruchem przechodzisz przez 12,5 rzędu wielkości. Droga liczy 17 szczebli i prowadzi od planety, przez Rynek Główny w Krakowie, do jednego złącza między dwiema komórkami w jednym ludzkim mózgu, a każdy szczebel to prawdziwe zdjęcie albo prawdziwy pomiar. Liczba w rogu pokazuje prawdziwą szerokość tego, na co patrzysz, i nie jest zwykłym podpisem.

W dół z nieba

Ziemia, 12 742 km. Za dnia widać Blue Marble od NASA, a nocą światła miast z VIIRS. Oba obrazy zmieszano według tego, w którą stronę zwrócony jest każdy skrawek gruntu, więc granica dnia i nocy przebiega dokładnie tam, gdzie wyznacza ją geometria. Światła są zmierzone, a nie narysowane, bo to światło, które miasta bez pożytku wysyłają w górę.

Europa Środkowa, 3000 km. Południe Polski, 400 km. Kraków, 24 km. Wszystkie 3 kadry pochodzą z mozaiki Sentinel-2 cloudless z 2024 roku, w której rok przelotów satelity złożono w jeden obraz bez chmur o rozdzielczości 10 metrów na piksel. Dzięki temu, że na każdej skali użyto tej samej mozaiki, kolory nie skaczą, gdy jeden kadr przechodzi w następny. Na kadrze Krakowa pośrodku widać Wisłę i Stare Miasto.

Stare Miasto, 3 km, i Rynek Główny, 420 m. Te kadry pochodzą z państwowej ortofotomapy Głównego Urzędu Geodezji i Kartografii. Zielony pierścień to Planty, wytyczone w miejscu średniowiecznych murów miejskich, a w dolnej części tego odcinka da się rozpoznać pojedyncze stragany. Stąd do człowieka skala zmienia się 244 razy, czyli bardziej niż na jakimkolwiek innym kroku powyżej tkanki.

Kadry tworzą mapę, a nie pokaz slajdów. Każde zdjęcie nad postacią człowieka jest wyśrodkowane na tym samym punkcie, czyli na środku Rynku Głównego, i narysowane w prawdziwej skali względem zdjęcia nad nim. Dzięki temu każdy kadr trafia dokładnie na swój fragment poprzedniego obrazu i tylko dodaje mu szczegółów, z miękką krawędzią, a ogólniejszy kadr znika dopiero wtedy, gdy zostanie całkiem zakryty. Planeta jest obrócona tak, żeby ten punkt był zwrócony w Twoją stronę, zarówno pod względem długości, jak i szerokości geograficznej.

Człowiek

1,72 metra. To nie jest gotowa postać 3D z katalogu, tylko BodyParts3D, atlas anatomiczny opracowany przez Database Center for Life Science. Trafił tu zamiast ładniejszej figury, bo zawiera skórę, szkielet i mózg jako osobne modele w jednym układzie współrzędnych. W kupionym modelu mózg trzeba by umieścić w głowie na oko, a wtedy właśnie to, czemu poświęcona jest ta strona, byłoby jedynym zmyślonym elementem całej sekwencji.

Gdy schodzisz poniżej tego szczebla, najpierw znika skóra, potem szkielet, a kamera zbliża się do głowy. Zostaje mózg dokładnie w tym miejscu, w którym znalazł go skaner.

Postać z atlasu jest anatomiczna, czyli naga, więc dopóki nie pojawi się model w ubraniu, zakrywa ją listek figowy. Listek znika razem ze skórą, bo potem na ekranie zostaje szkielet i nie ma już czego zakrywać.

The check that the frames really are the same. Two meshes arriving in the same archive is not the same claim as two meshes being in the same space, and a silent origin or unit mismatch would put the brain somewhere in the chest with nothing on screen looking obviously broken. So: the figure measures 1,719 mm, the brain sits at 94.5 per cent of that height, every corner of the brain falls inside the body, and a point a quarter of a body-height above the head does not, which is what makes the previous test mean anything. The one that settles it is the skull: the top of the skeleton clears the top of the brain by 5.8 mm. That is the thickness of bone, and it only comes out right if all three meshes are genuinely in one frame.

Mózg

15,1 cm. Ten mózg pochodzi z referencyjnego atlasu ludzkiego Allena w wersji przygotowanej przez HuBMAP Human Reference Atlas. Atlas wyróżnia 283 nazwane struktury, a zewnętrzną powierzchnię mózgu narysowano jak szkło, żeby było widać ukryte w środku wzgórze, hipokamp, pień mózgu i móżdżek.

Two rungs came off this page, and the reason is the zoom. It used to run brain, then cortical surface, then white matter, then a whole slice. But a brain is 15.1 cm and its cortical surface is 17.0 and its white matter 17.8, so those are larger than the brain they come out of. The zoom had to stop dead in the middle, sit at one scale for three rungs while the content changed, and start again. The page explained that at length, and the explanation was true, and the sequence was still wrong: a ladder whose middle does not descend is not a zoom. The white matter and the cortical surface have their own pages, where they are the subject rather than a pause. The build script now refuses to write a ladder in which any step fails to zoom in.

Przekrój kory

8,7 cm, 4,3 cm, 2,2 cm. Z całego mózgu przechodzisz prosto do prawdziwej tkanki. BigBrain to mózg 65-letniej kobiety, który zatopiono w parafinie i pocięto na 7404 plastry grubości 20 mikrometrów, a każdy plaster wybarwiono na ciała komórek i sfotografowano. Widzisz tu jeden z tych plastrów 3 razy, za każdym razem 2 razy bliżej. Najpierw widać korę w przekroju i istotę białą, która rozgałęzia się pod nią jak drzewo, a potem samą wstęgę kory, czyli około 3 milimetrów od zewnętrznej powierzchni do istoty białej. W tych 3 milimetrach odbywa się prawie całe myślenie.

Milimetr sześcienny, 3,9 mm. H01 to kawałek kory skroniowej żyjącej kobiety, w którym każde z 49 379 ciał komórek leży tam, gdzie znalazł je mikroskop. Zdjęcia tej ilości tkanki zajęły 1,4 petabajta.

Jeden neuron, 1,16 mm. To komórka piramidowa warstwy V z tego bloku, którą prześledzono ręcznie przez całą objętość, a dochodzi do niej 3117 synaps.

300 µm, 80 µm, 20 µm. Tę samą komórkę widzisz w 3 coraz bliższych wycinkach, a każdy z nich wyśrodkowano na jednej konkretnej synapsie, żeby zejście dokądś prowadziło, a nie tylko pokazywało coraz mniejszy fragment.

Jedna synapsa, 3 µm. To właśnie ta synapsa, czyli zakończenie aksonu i dendryt, do którego przekazuje ono sygnał, wyjęte wprost z obrazów mikroskopu elektronowego. Szczelina między nimi ma około 20 nanometrów.

This used to be one step of seven hundred times, onto the wrong cell. The ladder went from a 2.13 mm neuron straight to a 3.04 µm synapse, where nothing else near it steps by more than six. Worse, the neuron was segment 5015035926 and the synapse was on 3470629528, so the zoom flew into one cell and landed on a junction belonging to a different one. Nothing on screen said so, which is exactly why it needed saying. The neuron rung is now the cell the synapse is actually on, and the three crops between them come from that one mesh, around that one synapse: 3.9, 3.7, 4.0 and 6.6 times. The closest point of the cell surface to that synapse is 0.13 µm, which is the check that it really is on this cell.

At 21 micrometres you can see that cells are there, and not much else. A human cortical cell body is between half a pixel and one and a half at that sampling, so the stipple in the deepest BigBrain rung is cells, but no individual one of them can be picked out. This page tried to count them and threw the count away: it returned forty per square millimetre where histology says about two thousand, and it returned more in white matter than in cortex, because isolated glia against a pale background give crisper contrast than cell bodies packed shoulder to shoulder. What the resolution does support is the layering, which is what BigBrain was built for. Measured from the image alone: pale at the surface where the molecular layer holds almost no cell bodies, 1.7 times darker 0.85 mm down through the densely packed layers, then falling away again into white matter.

Dlaczego to 17 scen, a nie jedna

Ziemia ma 1,3×10⁷ metra średnicy, a szczelina synaptyczna 2×10^-8 metra. Dzieli je 15 rzędów wielkości, a 32-bitowa liczba zmiennoprzecinkowa, w której zapisuje się współrzędne sceny, ma tylko około 7 cyfr znaczących. W jednej scenie, która mieściłaby oba końce, synapsa zginęłaby więc w błędach zaokrągleń, zanim w ogóle trafiłaby na ekran.

Dlatego każdy szczebel ma własne współrzędne, a razem z nimi zapisano jego prawdziwą rozpiętość w metrach. Każdy jest rysowany w prawdziwej skali względem widoku, więc to, na co patrzysz, rośnie, aż wpadasz przez nie w następny szczebel. Nad postacią człowieka wszystkie zdjęcia są wyśrodkowane na jednym punkcie Rynku Głównego i trafiają dokładnie na swój fragment kadru powyżej. W tym punkcie stoi człowiek, który ma 1,7 metra i jest 244 razy mniejszy niż plac, a cały mózg pojawia się dokładnie tam, gdzie postać ma swój mózg. Od milimetra sześciennego w dół blok, neuron, 3 wycinki i synapsa dzielą jeden układ współrzędnych H01, więc każdy z nich leży dokładnie tam, gdzie znajduje się na obrazie poprzedniego szczebla. Odczyt w rogu jest liczony z prawdziwych pomiarów, więc nie może rozjechać się z obrazem.

The jump from a cell to a synapse is the biggest one below the sky. Everything else at this end steps down by a factor of a few. That one steps down by seven hundred, and there is no honest way to smooth it: a neuron really is that much larger than the junctions covering it. The cell you just left has 3,347 of them arriving on it, and this is one.

Nic tu nie błyszczy. Te komórki były zanurzone w płynie, a powierzchnia zanurzonej tkanki prawie nie załamuje światła, więc powinna wyglądać na miękką i półprzezroczystą, a nie na malowany plastik z odblaskiem. Scenę oświetlają 3 źródła światła, powierzchnie są bardzo matowe i niemetaliczne, a własne świecenie obiektów utrzymano na niskim poziomie, bo podkręcanie go, żeby coś było lepiej widać, spłaszcza obraz i zabija każdy cień. Wyjątkiem są fotografie, które rysuje się bez oświetlenia, bo fotografia ma już własne światło, a przepuszczenie jej przez oświetlenie tkanki zabarwiłoby pomiar światłem głównym i wypełniającym i upodobniło ją do renderingu.

Kolory oznaczają porządek, a nie służą ozdobie. Ciała komórek w milimetrze sześciennym są zabarwione według głębokości pod powierzchnią kory, na skali, która jaśnieje od głębokiego błękitu przez fiolet do złota.

Dwóch elementów tej strony nie można swobodnie wykorzystać ponownie. BigBrain ma licencję CC BY-NC-SA, czyli niekomercyjną i z obowiązkiem udostępniania na tych samych warunkach, a postać ciała licencję CC BY-SA, czyli z obowiązkiem udostępniania na tych samych warunkach. Wszystko inne na tej stronie można wykorzystać w dowolnym celu, więc jeśli te szczeble kiedyś będą musiały zniknąć, to właśnie z tego powodu.