Công bố chi tiết bản đồ não bộ người

Mặc dù nhỏ bé nhưng 1 mm khối mô cũng đủ lớn để chứa 57.000 tế bào, 230 mm mạch máu và 150 triệu khớp thần kinh.

“Nó nhỏ hơn một hạt gạo, nhưng chúng tôi bắt đầu cắt ra và quan sát, và nó thực sự rất đẹp” – ông nói. “Nhưng khi chúng tôi đang tích lũy dữ liệu, tôi nhận ra rằng chúng tôi có nhiều cách, nhiều hơn những gì chúng tôi có thể xử lý” – vị giáo sư chia sẻ với CNN.

Cuối cùng, Lichtman và nhóm của ông đã thu được 1.400 terabyte dữ liệu từ mẫu - gần bằng nội dung của hơn 1 tỷ cuốn sách. Giờ đây, sau một thập kỷ cộng tác chặt chẽ của nhóm phòng thí nghiệm với các nhà khoa học tại Google, dữ liệu đó đã trở thành bản đồ chi tiết nhất về mẫu não người từng được tạo ra.

300 triệu hình ảnh

Mẫu não đến từ một bệnh nhân bị động kinh nặng. Lichtman cho biết, quy trình tiêu chuẩn là loại bỏ một phần nhỏ của não để ngăn chặn cơn động kinh, sau đó kiểm tra mô để đảm bảo nó bình thường. “Nhưng mẫu này được ẩn danh nên tôi không biết gì về bệnh nhân, ngoài tuổi và giới tính của họ” – ông cho biết.

Để phân tích mẫu, Lichtman và nhóm của ông trước tiên cắt nó thành những phần mỏng bằng cách sử dụng một con dao có cạnh lưỡi làm bằng kim cương. Sau đó, các phần này được nhúng vào một loại nhựa cứng và cắt lại rất mỏng.

“Khoảng 30 nanomet, hay khoảng 1.000 độ dày của sợi tóc người. Chúng hầu như vô hình nếu không phải vì chúng tôi đã nhuộm chúng bằng kim loại nặng, khiến chúng có thể nhìn thấy được khi thực hiện chụp ảnh điện tử” - ông nói.

Nhóm nghiên cứu đã thu được vài nghìn lát cắt được chọn bằng băng tùy chỉnh, tạo ra một loại dải phim: “Nếu bạn chụp ảnh từng phần đó và căn chỉnh những bức ảnh đó, bạn sẽ có được một mảnh ba chiều của não ở cấp độ vi mô”.

Đó là lúc các nhà nghiên cứu nhận ra rằng họ cần trợ giúp về dữ liệu vì hình ảnh thu được sẽ chiếm một lượng lưu trữ đáng kể.

Lichtman biết rằng Google đang nghiên cứu bản đồ kỹ thuật số về não ruồi giấm, được phát hành vào năm 2019 và có phần cứng máy tính phù hợp cho công việc. Ông đã liên lạc với Viren Jain, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao của Google, người đang thực hiện dự án ruồi giấm.

“Có 300 triệu hình ảnh riêng biệt (trong dữ liệu của Harvard)” - Jain nói. “Điều khiến nó có nhiều dữ liệu đến vậy là do bạn đang chụp ảnh ở độ phân giải rất cao, mức độ của một khớp thần kinh riêng lẻ. Và chỉ trong mẫu mô não nhỏ đó đã có tới 150 triệu khớp thần kinh”.

Để hiểu được các hình ảnh, các nhà khoa học tại Google đã sử dụng quá trình xử lý và phân tích dựa trên trí thông minh nhân tạo (AI), xác định loại tế bào trong mỗi bức ảnh và cách chúng được kết nối với nhau.

Kết quả là một mô hình 3D tương tác của mô não và bộ dữ liệu lớn nhất từng được tạo ra ở độ phân giải này của cấu trúc não người. Google đã cung cấp nó trực tuyến với tên gọi “Neuroglancer” và một nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science cùng lúc với Lichtman và Jain trong số các đồng tác giả.

Hiểu về bộ não

Sự hợp tác giữa nhóm Harvard và Google đã tạo ra những hình ảnh được tô màu giúp các thành phần riêng lẻ hiển thị rõ hơn nhưng mặt khác chúng lại là sự thể hiện chân thực của mô.

“Màu sắc hoàn toàn tùy ý” - Jain giải thích, “nhưng ngoài điều đó ra, chúng tôi không bịa ra - đây là những tế bào thần kinh thực sự, những sợi dây thực sự tồn tại trong bộ não này và chúng tôi thực sự chỉ làm cho các nhà sinh học thuận tiện và dễ tiếp cận để xem và nghiên cứu” – nhà nghiên cứu này giải thích.

Dữ liệu chứa đựng một số điều bất ngờ. Ví dụ, thay vì hình thành một kết nối duy nhất, các cặp nơ-ron lại có hơn 50. “Điều này giống như thể hai ngôi nhà trong một dãy nhà có 50 đường dây điện thoại riêng biệt kết nối chúng. Chuyện gì đang xảy ra ở đó thế? Tại sao chúng lại có mối liên kết chặt chẽ đến vậy? Chúng tôi chưa biết chức năng hay tầm quan trọng của hiện tượng này là gì, chúng tôi sẽ phải nghiên cứu thêm” - ông nói.

Theo Lichtman, cuối cùng, việc quan sát bộ não ở mức độ chi tiết này có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu được các tình trạng y tế chưa được giải quyết.

Bề mặt não được nhuộm màu mô phỏng

Tiếp theo, nhóm đứng đằng sau dự án đặt mục tiêu tạo ra một bản đồ đầy đủ về bộ não của một con chuột, đòi hỏi lượng dữ liệu gấp từ 500 đến 1.000 lần so với mẫu não người.

“Điều đó có nghĩa là 1 exabyte, tức là 1.000 petabyte” - Lichtman nói.

Thế còn việc lập bản đồ toàn bộ bộ não con người thì sao? Lichtman giải thích rằng con số đó sẽ lớn hơn 1.000 lần nữa, nghĩa là dữ liệu sẽ lên tới 1 zettabyte. Theo Cisco, năm 2016, đó là quy mô của toàn bộ lưu lượng truy cập Internet trong năm. Lichtman cho biết hiện tại, việc lưu trữ nhiều dữ liệu như vậy không chỉ khó khăn mà còn không có cách nào có thể chấp nhận được về mặt đạo đức để tìm nguồn cung cấp bộ não con người nguyên sơ, được bảo quản tốt.

Sporns, giáo sư nổi tiếng về khoa học tâm lý và não bộ tại Đại học Indiana (Mỹ) cho biết: “Mỗi bộ não con người là một mạng lưới rộng lớn gồm hàng tỷ tế bào thần kinh. “Mạng lưới này cho phép các tế bào giao tiếp theo những mô hình rất cụ thể, nền tảng cho trí nhớ, suy nghĩ và hành vi”.

Ông nói thêm rằng việc lập bản đồ mạng lưới này, hệ thống kết nối của con người, là rất quan trọng để tìm ra cách thức hoạt động của bộ não, đồng thời lưu ý rằng nghiên cứu này đã tạo ra nền tảng mới hướng tới mục tiêu quan trọng này và mang đến những cơ hội mới thú vị để tìm hiểu và khám phá.

Đây là dự án bản đồ não người chi tiết nhất từ trước đến nay được công bố