חוקרי אוניברסיטת קיושו הציגו את QDyeFinder, כלי בינה מלאכותית המשפר את מיפוי הנוירונים במוח על ידי שימוש בקידוד צבע מתקדם ולמידת מכונה, המראה פוטנציאל ליישומים רחבים יותר בביולוגיה.
חוקרים פיתחו QDyeFinder, צינור בינה מלאכותית שיכולה להתיר ולשחזר את הרשתות הנוירונים הצפופות של המוח.
המוח הוא האיבר המורכב ביותר שנוצר אי פעם. הפונקציות שלו נתמכות על ידי רשת של עשרות מיליארדי נוירונים צפופים, עם טריליוני קשרים המחליפים מידע ומבצעים חישובים. הניסיון להבין את מורכבות המוח יכול להיות מסחרר. עם זאת, אם אי פעם נקווה להבין כיצד פועל המוח, עלינו להיות מסוגלים למפות נוירונים וללמוד כיצד הם מחווטים.
עכשיו, מפרסם ב תקשורת טבע, חוקרים מאוניברסיטת קיושו פיתחו כלי AI חדש, שהם קוראים לו QDyeFinder, שיכול לזהות ולשחזר נוירונים בודדים באופן אוטומטי מתמונות של מוח העכבר. התהליך כולל תיוג של נוירונים בפרוטוקול תיוג סופר-רב-צבעי, ולאחר מכן מתן אפשרות ל-AI לזהות אוטומטית את מבנה הנוירון על ידי התאמת שילובי צבעים דומים.
קרדיט: אוניברסיטת קיושו/טאקשי אימאי
אתגרים במיפוי נוירונים
"אחד האתגרים הגדולים ביותר במדעי המוח הוא הניסיון למפות את המוח והקשרים שלו. עם זאת, מכיוון שהנוירונים צפופים כל כך, זה מאוד קשה ודורש זמן להבחין בין נוירונים עם האקסונים והדנדריטים שלהם – ההרחבות ששולחות ומקבלות מידע מנוירונים אחרים – זה מזה", מסביר פרופסור טאקשי אימאי מבית הספר לתארים מתקדמים של מדעי הרפואה, שהוביל את המחקר. "כדי לשים את זה בפרספקטיבה, האקסונים והדנדריטים הם בעובי של כמיקרומטר בלבד, זה דק פי 100 מקווצת שיער אנושית רגילה, והמרווח ביניהם קטן יותר."
אסטרטגיה אחת לזיהוי נוירונים היא לתייג את התא עם חלבון ניאון בצבע מסוים. לאחר מכן יכלו החוקרים לאתר את הצבע הזה ולשחזר את הנוירון והאקסונים שלו. על ידי הרחבת מגוון הצבעים, ניתן היה לאתר נוירונים נוספים בבת אחת. בשנת 2018, אימאי וצוותו פיתחו את Tetbow, מערכת שיכולה לצבוע נוירונים בבהירות עם שלושת צבעי האור העיקריים.
שכבת קליפת העכבר 2/3 נוירונים פירמידליים סומנו עם Tetbow 7 צבעים. שילוב של 7 חלבונים ניאון (mTagBFP2, mTurquoise2, mAmetrine1.1, mNeonGreen, Ypet, mRuby3, tdKatushka2) שימש כדי לדמיין את החיווט הצפוף של נוירונים. לאחר מכן נותחו תמונות 7 הערוצים על ידי תוכנית QDyeFinder כדי לחשוף את דפוסי החיווט של נוירונים בודדים. קרדיט: אוניברסיטת קיושו/טאקשי אימאי
"דוגמה שאני אוהב להשתמש בה היא מפת קווי הרכבת התחתית של טוקיו. המערכת משתרעת על פני 13 קווים, 286 תחנות, ועל פני למעלה מ-300 ק"מ. במפת הרכבת התחתית כל קו מקודד בצבע, כך שאתה יכול לזהות בקלות אילו תחנות מחוברות", מסביר מרקוס נ. לייווה, אחד מחברי המאמר הראשונים ומסייע פרופסור באותה תקופה. "טטבו הפך את המעקב אחר נוירונים ומציאת הקשרים ביניהם להרבה יותר קל."
עם זאת, נותרו שני נושאים מרכזיים. עדיין היה צורך לאתר נוירונים בקפדנות ביד, ושימוש בשלושה צבעים בלבד לא הספיק כדי להרחיק אוכלוסייה גדולה יותר של נוירונים.
פריצות דרך טכנולוגיות עם QDyeFinder
הצוות עבד כדי להגדיל את מספר הצבעים משלושה לשבעה, אבל הבעיה הגדולה יותר אז הייתה גבולות תפיסת הצבע האנושית. תסתכל מקרוב על כל מסך טלוויזיה ותראה שהפיקסלים מורכבים משלושה צבעים: כחול, ירוק ואדום. כל צבע שאנו יכולים לתפוס הוא שילוב של שלושת הצבעים הללו, מכיוון שיש לנו חיישנים כחול, ירוק ואדום בעיניים.
"למכונות לעומת זאת אין מגבלות כאלה. לכן, עבדנו על פיתוח כלי שיוכל להבחין אוטומטית בשילובי הצבעים העצומים הללו", ממשיך לייווה. "גם עשינו את זה כך שהכלי הזה יתפור אוטומטית יחד נוירונים ואקסונים מאותו צבע וישנה מחדש את המבנה שלהם. קראנו למערכת הזו QDyeFinder."
QDyeFinder פועל על ידי זיהוי אוטומטי תחילה של שברי אקסונים ודנדריטים בדגימה נתונה. לאחר מכן הוא מזהה את מידע הצבע של כל שבר. לאחר מכן, תוך שימוש באלגוריתם למידת מכונה שהצוות פיתח בשם dCrawler, מידע הצבע רוכז יחדיו, שבו הוא יזהה אקסונים ודנדריטים של אותו נוירון.
"כשהשווינו את התוצאות של QDyeFinder לנתונים של נוירונים שעקבו באופן ידני, היה להם בערך אותו דבר דיוק", מסביר לייווה. "אפילו בהשוואה לתוכנת מעקב קיימת שעושה בה שימוש מלא למידת מכונהQDyeFinder הצליח לזהות אקסונים עם דיוק הרבה יותר גבוה."
הצוות מקווה שהכלי החדש שלהם יכול לקדם את החיפוש המתמשך למיפוי הקשרים של המוח. הם גם רוצים לראות אם ניתן ליישם את השיטה החדשה שלהם לתיוג ומעקב אחר סוגי תאים מסובכים אחרים כמו תאים סרטניים ותאי חיסון.
"ייתכן שיבוא יום שבו נוכל לקרוא את הקשרים במוח ולהבין מה הם אומרים או מייצגים עבור אותו אדם. אני בספק אם זה יקרה בימי חיי, אבל העבודה שלנו מייצגת צעד מוחשי קדימה בהבנת המימד המסובך והמסתורי ביותר של קיומנו", מסכם אימאי.
מימון: הסוכנות היפנית למחקר ופיתוח רפואי, סוכנות המדע והטכנולוגיה של יפן, החברה היפנית לקידום המדע, קרן הזיכרון של Uehara, קרן Sumitomo, קרן Ichiro Kanahara, קרן Daiichi Sankyo למדעי החיים, קרן מדעי המוח
