Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Kyushu παρουσίασαν το QDyeFinder, ένα εργαλείο AI που ενισχύει τη χαρτογράφηση νευρώνων στον εγκέφαλο χρησιμοποιώντας προηγμένη χρωματική κωδικοποίηση και μηχανική μάθηση, δείχνοντας δυνατότητες για ευρύτερες εφαρμογές στη βιολογία.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν το QDyeFinder, έναν αγωγό τεχνητής νοημοσύνης που μπορεί να ξεμπερδέψει και να ανακατασκευάσει τα πυκνά νευρωνικά δίκτυα του εγκεφάλου.
Ο εγκέφαλος είναι το πιο περίπλοκο όργανο που δημιουργήθηκε ποτέ. Οι λειτουργίες του υποστηρίζονται από ένα δίκτυο δεκάδων δισεκατομμυρίων πυκνά συσσωρευμένων νευρώνων, με τρισεκατομμύρια συνδέσεις που ανταλλάσσουν πληροφορίες και εκτελούν υπολογισμούς. Η προσπάθεια κατανόησης της πολυπλοκότητας του εγκεφάλου μπορεί να είναι ζαλιστική. Ωστόσο, εάν ελπίζουμε ποτέ να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος, πρέπει να είμαστε σε θέση να χαρτογραφήσουμε τους νευρώνες και να μελετήσουμε πώς είναι καλωδιωμένοι.
Τώρα, δημοσίευση σε Επικοινωνίες για τη φύσηερευνητές από Πανεπιστήμιο Kyushu έχουν αναπτύξει ένα νέο εργαλείο τεχνητής νοημοσύνης, το οποίο ονομάζουν QDyeFinder, το οποίο μπορεί αυτόματα να αναγνωρίσει και να ανασυνθέσει μεμονωμένους νευρώνες από εικόνες του εγκεφάλου του ποντικιού. Η διαδικασία περιλαμβάνει την επισήμανση των νευρώνων με ένα πρωτόκολλο σούπερ-πολύχρωμης επισήμανσης και, στη συνέχεια, αφήνοντας το AI να αναγνωρίσει αυτόματα τη δομή του νευρώνα ταιριάζοντας παρόμοιους χρωματικούς συνδυασμούς.
Πίστωση: Πανεπιστήμιο Kyushu/Takeshi Imai
Προκλήσεις στη χαρτογράφηση νευρώνων
«Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στη νευροεπιστήμη είναι η προσπάθεια χαρτογράφησης του εγκεφάλου και των συνδέσεών του. Ωστόσο, επειδή οι νευρώνες είναι τόσο πυκνά συσσωρευμένοι, είναι πολύ δύσκολο και χρονοβόρο να διακρίνουμε τους νευρώνες με τους άξονες και τους δενδρίτες – τις προεκτάσεις που στέλνουν και λαμβάνουν πληροφορίες από άλλους νευρώνες – ο ένας από τον άλλο», εξηγεί ο καθηγητής Takeshi Imai του Graduate School of Ιατρικών Επιστημών, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. «Για να το θέσουμε σε προοπτική, οι άξονες και οι δενδρίτες έχουν πάχος μόνο περίπου ένα μικρόμετρο, που είναι 100 φορές πιο λεπτό από ένα τυπικό σκέλος ανθρώπινης τρίχας και ο χώρος μεταξύ τους είναι μικρότερος».
Μια στρατηγική για την αναγνώριση των νευρώνων είναι η επισήμανση του κυττάρου με μια φθορίζουσα πρωτεΐνη συγκεκριμένου χρώματος. Οι ερευνητές θα μπορούσαν στη συνέχεια να εντοπίσουν αυτό το χρώμα και να ανακατασκευάσουν τον νευρώνα και τους άξονές του. Επεκτείνοντας το φάσμα των χρωμάτων, θα μπορούσαν να εντοπιστούν περισσότεροι νευρώνες ταυτόχρονα. Το 2018, ο Imai και η ομάδα του ανέπτυξαν το Tetbow, ένα σύστημα που μπορούσε να χρωματίσει έντονα τους νευρώνες με τα τρία βασικά χρώματα του φωτός.
Οι πυραμιδικοί νευρώνες του φλοιού ποντικιού 2/3 επισημάνθηκαν με Tetbow 7 χρωμάτων. Ένας συνδυασμός 7 φθοριζουσών πρωτεϊνών (mTagBFP2, mTurquoise2, mAmetrine1.1, mNeonGreen, Ypet, mRuby3, tdKatushka2) χρησιμοποιήθηκε για την οπτικοποίηση της πυκνής καλωδίωσης των νευρώνων. Στη συνέχεια, οι εικόνες 7 καναλιών αναλύθηκαν από το πρόγραμμα QDyeFinder για να αποκαλυφθούν τα μοτίβα καλωδίωσης μεμονωμένων νευρώνων. Πίστωση: Πανεπιστήμιο Kyushu/Takeshi Imai
«Ένα παράδειγμα που μου αρέσει να χρησιμοποιώ είναι ο χάρτης των γραμμών του μετρό του Τόκιο. Το σύστημα εκτείνεται σε 13 γραμμές, 286 σταθμούς και πάνω από 300 km. Στον χάρτη του μετρό κάθε γραμμή έχει χρωματική κωδικοποίηση, ώστε να μπορείτε εύκολα να προσδιορίσετε ποιοι σταθμοί είναι συνδεδεμένοι», εξηγεί ο Marcus N. Leiwe, ένας από τους πρώτους συγγραφείς της εργασίας και Επίκουρος Καθηγητής εκείνη την εποχή. «Το Tetbow έκανε πολύ πιο εύκολο τον εντοπισμό των νευρώνων και την εύρεση των συνδέσεών τους».
Ωστόσο, δύο βασικά ζητήματα παρέμειναν. Οι νευρώνες έπρεπε να ανιχνευθούν σχολαστικά με το χέρι και η χρήση μόνο τριών χρωμάτων δεν ήταν αρκετή για να διακρίνει έναν μεγαλύτερο πληθυσμό νευρώνων.
Τεχνολογικές ανακαλύψεις με το QDyeFinder
Η ομάδα εργάστηκε για να αυξήσει τον αριθμό των χρωμάτων από τρία σε επτά, αλλά το μεγαλύτερο πρόβλημα τότε ήταν τα όρια της ανθρώπινης αντίληψης χρωμάτων. Κοιτάξτε προσεκτικά οποιαδήποτε οθόνη τηλεόρασης και θα δείτε ότι τα pixel αποτελούνται από τρία χρώματα: μπλε, πράσινο και κόκκινο. Οποιοδήποτε χρώμα μπορούμε να αντιληφθούμε είναι ένας συνδυασμός αυτών των τριών χρωμάτων, καθώς έχουμε μπλε, πράσινους και κόκκινους αισθητήρες στα μάτια μας.
«Οι μηχανές από την άλλη δεν έχουν τέτοιους περιορισμούς. Ως εκ τούτου, εργαστήκαμε για την ανάπτυξη ενός εργαλείου που θα μπορούσε να διακρίνει αυτόματα αυτούς τους τεράστιους συνδυασμούς χρωμάτων», συνεχίζει ο Leiwe. «Το κάναμε επίσης έτσι ώστε αυτό το εργαλείο να συρράπτει αυτόματα νευρώνες και άξονες του ίδιου χρώματος και να αναδομεί τη δομή τους. Ονομάσαμε αυτό το σύστημα QDyeFinder.”
Το QDyeFinder λειτουργεί προσδιορίζοντας πρώτα αυτόματα θραύσματα αξόνων και δενδριτών σε ένα δεδομένο δείγμα. Στη συνέχεια, προσδιορίζει τις πληροφορίες χρώματος κάθε θραύσματος. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης που ανέπτυξε η ομάδα που ονομάζεται dCrawler, οι πληροφορίες χρώματος ομαδοποιήθηκαν μαζί, όπου θα εντόπιζαν άξονες και δενδρίτες του ίδιου νευρώνα.
«Όταν συγκρίναμε τα αποτελέσματα του QDyeFinder με δεδομένα από νευρώνες που έχουν εντοπιστεί με το χέρι, είχαν περίπου τα ίδια ακρίβεια», εξηγεί ο Leiwe. «Ακόμη και σε σύγκριση με το υπάρχον λογισμικό εντοπισμού που κάνει πλήρη χρήση του μηχανική μάθησητο QDyeFinder ήταν σε θέση να αναγνωρίσει τους άξονες με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια.
Η ομάδα ελπίζει ότι το νέο της εργαλείο μπορεί να προωθήσει τη συνεχιζόμενη αναζήτηση χαρτογράφησης των συνδέσεων του εγκεφάλου. Θα ήθελαν επίσης να δουν εάν η νέα τους μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί στην επισήμανση και την παρακολούθηση άλλων περίπλοκων τύπων κυττάρων, όπως τα καρκινικά κύτταρα και τα κύτταρα του ανοσοποιητικού.
«Μπορεί να έρθει μια μέρα που μπορούμε να διαβάσουμε τις συνδέσεις στον εγκέφαλο και να καταλάβουμε τι σημαίνουν ή αντιπροσωπεύουν για αυτό το άτομο. Αμφιβάλλω ότι θα συμβεί στη ζωή μου, αλλά η δουλειά μας αντιπροσωπεύει ένα απτό βήμα προς τα εμπρός στην κατανόηση ίσως της πιο περίπλοκης και μυστηριώδους διάστασης της ύπαρξής μας», καταλήγει ο Imai.
Παραπομπή: «Αυτόματη ανακατασκευή νευρώνων με σούπερ πολύχρωμη ετικέτα Tetbow και ομαδοποίηση χρωματικών αποχρώσεων με βάση το κατώφλι» από τους Marcus N. Leiwe, Satoshi Fujimoto, Toshikazu Baba, Daichi Moriyasu, Biswanath Saha, Richi Sakaguchi, Shigenori Inagaki, και Takeshi5 2024, Επικοινωνίες για τη φύση.
DOI: 10.1038/s41467-024-49455-y
Χρηματοδότηση: Japan Agency for Medical Research and Development, Japan Science and Technology Agency, Japan Society for the Promotion of Science, Uehara Memorial Foundation, Sumitomo Foundation, Ichiro Kanahara Foundation, Daiichi Sankyo Foundation of Life Science, Brain Science Foundation