Hjernen i 3D ned mot cellenivå

Menneskehjerne kløyvet og skannet med hittil høyeste presisjon.

Snitt gjennom 3D-hjernen BigBrain viser detaljer i området hippocampus. (Foto: (Bilde: Fra video av Montreal Neurological Institute/McGill University, Institute of Neuroscience and Medicine/Research Centre Juelich, and National Research Council of Canada.))
Snitt gjennom 3D-hjernen BigBrain viser detaljer i området hippocampus. (Foto: (Bilde: Fra video av Montreal Neurological Institute/McGill University, Institute of Neuroscience and Medicine/Research Centre Juelich, and National Research Council of Canada.))

Prosjektet BigBrain har laget en datamodell av hjernen som er nøyaktig ned til nærmeste femtidels millimeter. Det er som tykkelsen på de aller tynneste menneskehår.

Modellen er så nøyaktig at den tydelig viser strukturen i forskjellige typer hjernevev. Det er nesten mulig å se hver enkelt hjernecelle, ifølge en fagartikkel i tidsskriftet Science.

Forskerne skulle gjerne gjort modellen enda mer nøyaktig. En musehjerne er nylig kartlagt med tjue ganger større presisjon, ned til en tusendels millimeter.

Men musehjernen er mye mindre. Selv de kraftigste datamaskiner ville ikke klart å behandle datamengden for menneskehjernen, ifølge artikkelen.

Fri bruk

BigBrain er åpent tilgjengelig. Den viser blant annet hvordan forskjellige deler av hjernen er koblet sammen og hvor grensene mellom dem går.

Hjerneforskere kan også bruke modellen som utgangspunkt og referanse for nye kartlegginger.

På denne måten kan modellen kobles til andre typer hjernedata, for eksempel om hvordan hjernen vokser hos fosteret, eller framtidige kart over hjerneaktivitet.

Kvinnehjerne

Et spesielt skjæreapparat som kalles en mikrotom, lager løvtynne snitt av hjernen til en 65 år gammel tysk kvinne. I alt 7404 snitt ble skåret, og så skannet, for å bygge opp 3D-modellen BigBrain. (Foto: Amunts, Zilles, Evans et al./Science)
Et spesielt skjæreapparat som kalles en mikrotom, lager løvtynne snitt av hjernen til en 65 år gammel tysk kvinne. I alt 7404 snitt ble skåret, og så skannet, for å bygge opp 3D-modellen BigBrain. (Foto: Amunts, Zilles, Evans et al./Science)

De kanadiske og tyske forskerne har brukt mange år på å gjenskape en fysisk hjerne som en datamodell.

Hjernen tilhørte en tysk kvinne på 65 år. Hun hadde donert den til universitetet i Düsseldorf.

Hjernen ble først oppbevart i formalin i fem måneder. Så ble den skannet i en magnetresonans-tomograf i april 2003.

En slik tomograf kan lage en modell av hjernen som er ganske nøyaktig, ned til 0,3 millimeter. Denne modellen ble brukt som en grov referanse da den finere kartleggingen tok til.

Over 7000 snitt

Så ble hjernen dynket i flytende parafin, som størknet. Parafinen gjorde det mulig å skjære ekstremt tynne snitt av hjernen med en mikrotom, en nøyaktig skjæreapparat.

Snittene ble gjort bakfra og forover i hjernen. Hvert tverrsnitt var bare en femtidels millimeter tykt, tilsvarende nøyaktigheten som forskerne ville ha for modellen.

Til sammen ble det skåret 7404 slike tverrsnitt. Hvert tverrsnitt ble farget, blant annet med stoffet eosin. Det gjorde detaljene i de løvtynne snittene mer synlige.

Feilskjær uunngåelig

Tverrsnittene av hjernen ble farget for å gjøre cellekroppene tydeligere. Så ble de skannet for å lage 3D-modellen av hjernen, nøyaktig ned til 20 mikrometer. (Foto: Amunts, Zilles, Evans et al./Science)
Tverrsnittene av hjernen ble farget for å gjøre cellekroppene tydeligere. Så ble de skannet for å lage 3D-modellen av hjernen, nøyaktig ned til 20 mikrometer. (Foto: Amunts, Zilles, Evans et al./Science)

Hvert snitt ble så skannet med nøyaktighet ned til en hundredels millimeter, dobbelt så detaljert som modellen krevde. Skanningen tok til sammen rundt tusen timer.

For hvert snitt tok forskerne også bilde av det som var igjen av hjernen, altså det motstående tverrsnittet.

Disse bildene, og MRI-skanningen fra tidligere, ble brukt som kontroll når skanningen av snittene skulle finjusteres. Selv den mest nøyaktige mikrotom unngår nemlig ikke helt å skade hjernevevet.

Noen steder var små deler av snittet forskjøvet ganske mye. Slike større feil rettet forskerne opp manuelt, mens de sammenlignet med fasitene fra MRI og kameraet.

29 års prosessortid

3D-hjernen BigBrain skal legges åpent ut for forskere. (Foto: (Bilde: Fra video av Montreal Neurological Institute/McGill University, Institute of Neuroscience and Medicine/Research Centre Juelich, and National Research Council of Canada.))
3D-hjernen BigBrain skal legges åpent ut for forskere. (Foto: (Bilde: Fra video av Montreal Neurological Institute/McGill University, Institute of Neuroscience and Medicine/Research Centre Juelich, and National Research Council of Canada.))

Mindre forskyvninger av detaljer ble justert ved å sammenligne med nabosnitt. Forskerne hadde utviklet sine egne dataprogrammer for å gjøre disse justeringene.

Slik ble snittene satt sammen igjen, lag for lag. Til sammen krevde denne prosessen rundt 29 år sammenhengende databehandling, fordelt på 25 000 mikroprosessorer.

BigBrain er en del av det store EU-støttede Human Brain Project. Dette prosjektet tar mål av seg til å simulere hjernen med datamaskiner for å forstå hvordan den virker.

Referanse og lenke:

Katrin Amunts et.al: BigBrain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model, Science, 21. juni 2013, vol 340

Big Brain-prosjektets nettside

Powered by Labrador CMS