i

Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Obdivuhodná architektonika mozkové kůry

 |  2. 10. 2017
 |  Vesmír 96, 560, 2017/10
 |  Téma: Mozek

Žijeme v době rozkvětu nanověd, nanoskopie a nanotechnologií. Také v neurovědách se zrodil nový obor – konektomika. Snaží se podrobně zmapovat, jak jsou vzájemně pospojovány neurony v mozku a zejména v mozkové kůře, nejsložitější hmotě, jaká je dosud lidstvu známa.

Pouhým okem pozorujeme okolní makrosvět, Hubbleovým teleskopem se díváme do hlubin kosmického megasvěta, superrezoluční světelné mikroskopy nám umožňují vidět mikrosvět a elektronové mikroskopy či mikroskopy využívající atomárních sil nám otevírají ještě menší a tajemnější nanosvět. Ten obdržel své jméno od nanometru, to jest jedné miliardtiny metru (10–9 m), což představuje asi 10 atomů vodíku seřazených vedle sebe. Konektomika chce vlastně pořídit kompletní „elektroinstalační schéma“ mozku. Je to nadlidský úkol, kladoucí velké nároky na laboratorní techniku i na čas neurobiologů a počítačových expertů. Vyžaduje analýzu velkých objemů mozkové tkáně nejen na úrovni mikrometrového rozlišení, ale zejména na úrovni nanometrové, a to v trojrozměrné podobě.

 

Trojrozměrná ultrastruktura mozkové kůry vypadá úplně jinak než plošné obrazy známé z učebnicových schémat nebo ze světelného mikroskopu (obr. 1 a obrázek na obálce). Nenajdeme v ní žádné prázdné prostory, jen dvacetinanometrové štěrbinky mezi těsně propletenými výběžky nervových a gliových buněk, které s trochou nadsázky můžeme přirovnat ke kupičce uvařených špaget nebo čínských nudlí. Nalijeme na ně kečup, trochu je slisujeme – a máme před sebou primitivní model neuropilu – spleti nervových a gliových výběžků. Špagety jsou axony a dendrity neuronů, jejichž těla ponechme protentokrát stranou, kečup vyplňující štěrbiny mezi špagetami imituje výběžky gliových buněk. Žádný prázdný prostor nezůstává.

Představme si teď na chvíli, že jsme členy týmu neurobiologů. Jako cíl jsme si stanovili kompletně zrekonstruovat krychličku mozkové kůry velikosti 6 × 6 × 5 mikrometrů, jejíž objem je srovnatelný s červenou krvinkou (obr. 4). Naším úkolem bude bezpečně identifikovat všechny výběžky, barevně je odlišit a pojmenovat, spočítat, změřit jejich povrch a objem, zjistit, ve kterých místech a jakým způsobem se vzájemně dotýkají a jakou mají vnitřní strukturu; tu podle potřeby také zrekonstruovat a změřit.

Z etických i technických důvodů to ale nelze dělat s lidskou mozkovou kůrou. Budeme muset obětovat laboratorní myšku; její mozek bez dotyku fixovat, dehydrovat, zalít do polymerní pryskyřice a nakrájet dlouhou nepřerušenou sérii ultratenkých, pro neozbrojené oko neviditelných řezů (obr. 3A). Ty vyfotografujeme v transmisním elektronovém mikroskopu a zdigitalizované snímky v počítači vzájemně přesně zorientujeme – zarovnáme je jako balíček karet.

V nejmoderněji vybavené laboratoři k sérii snímků dospějeme snadněji: nikoli krájením, ale postupným odfrézováním povrchu tkáně zaostřeným paprskem iontů uvnitř rastrovacího elektronového mikroskopu. Fotografujeme vždy nově odhalený povrch bloku (obr. 3B).

Pořídit onu sérii řezů, bez které trojrozměrnou sériovou elektronovou mikroskopii dělat nelze, zvládá jen málo laboratoří na světě. Jakmile ji ale máme uloženou v počítači, ostatní už je snadné. Průřezy všech výběžků na řezech segmentujeme (konturujeme) ručně nebo automaticky, barevně označíme, pojmenujeme a očíslujeme. V případě naší krychličky (6 × 6 × 5 µm čili 100 ultratenkých řezů o tlouštce 0,05 mikrometru) to bude zkušený expert dělat ručně kolem 160 hodin, automaticky (s následnou korekcí) asi 60 hodin. Software počítače se pak postará o pospojování a vymodelování plášťů všech struktur, vypočítá objemy a povrchy a odevzdá nám hotovou rekonstrukci – komplexní digitální model vytoužené krychličky (obr. 1 a obrázek na obálce).

Nyní lze konečně přistoupit k analýze. Všechny výběžky a jejich spoje obsažené v rekonstruovaném objemu (v našem případě 451 axonů, 151 dendritů, 496 synapsí a souborně pojatá gliová prostorová síť, celkem 1099 identifikovaných elementů) mohou být v počítači z onoho prostorového hlavolamu izolovány a podrobně hodnoceny kvalitativně i kvantitativně, včetně jejich organelové výbavy (obr. 2, 5, 6). Zvláštní zřetel si zaslouží hodnocení neuronálních spojů – synapsí, ve kterých si neurony předávají informační signály. Zajímat nás bude jejich umístění, tvar, velikost a počet (obr. 7). Zdá se, že v jediném kubickém milimetru savčí mozkové kůry mohou být mezi neurony téměř 3 miliardy synapsí, v kůře mozečku dokonce víc než 3× tolik.

Rekonstrukce mozkové kůry popsaná v článku i několik dalších byly v rámci projektu Human Brain za podpory NIH a NINDS (USA) vytvořeny v Centru pro výzkum učení a paměti Texaské univerzity v Austinu a v laboratoři elektronové mikroskopie Fingerlandova ústavu patologie Lékařské fakulty UK v Hradci Králové.

Ve spolupráci se Salkovým institutem v La Jolle byla veškerá získaná data včetně použitého softwaru dána k dispozici všem neurobiologickým laboratořím v rámci projektu Open Connectome (DOI: 10.7281/T11Z429Q; Nature Scientific Data 2, 150046, 2015; DOI: 10.1038/sdata.2015.46). Detailní informace o ultrastruktuře mozkové tkáně můžete obdržet na adrese http://synapseweb.clm.utexas.edu.

Animace:

Neurobiologové Salkova institutu na základě další analýzy popsaného digitálního modelu dospěli v lednu 2016 k názoru, že paměťová kapacita lidského mozku může být asi 10× vyšší, než se dosud předpokládalo. Pohybuje se v petabytech a obsáhla by prý informace uložené v celosvětové webové síti (http://www.salk.edu/news/salk-news).

Ke stažení

TÉMA MĚSÍCE: Mozek
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Neurobiologie

O autorovi

Josef Špaček

Prof. MUDr. Josef Špaček, DrSc., FRMS, (*1941) vystudoval Lékařskou fakultu Univerzity Karlovy v Hradci Králové, na které působí jako profesor patologické anatomie. Jeho specializací je diagnostická elektronová mikroskopie. Je členem Královské mikroskopické společnosti v Oxfordu a konzultantem Laboratoře pro výzkum struktury a funkce synapsí Texaské univerzity v Austinu.
Špaček Josef

Další články k tématu

Poslední stěhování duše

O definitivní umístění sídla lidské mysli do mozku a vznik neurologie se zasloužil před 350 lety Angličan Thomas Willis. Vědecké obory mají svůj...

Mozek – svět za bariérouuzamčeno

Hematoencefalická bariéra, brána mezi mozkem a krví. Co všechno o ní současná věda ví a proč ji chce umět otevřít. Mozková činnost vyžaduje...

Od neuronu k mozku

Při pohledu na mapu se mě zmocňuje úžas, když si představím, kolik postupného úsilí a práce stálo její vytvoření od chvíle, kdy žádná mapa...

Emoce schované v křivkách EEG

Dají se zkoumat emoce pomocí elektroencefalografu? Jak vypadá pokus v laboratoři, kde se emoce měří? Lze emoce vidět v mozku, i když nejprve...

O kolečko víc

Vnitřní hodiny zdravých jedinců fungují trochu jako základní operační systém řídící náš hardware. Ale někdy se porouchají.

Novinky na drogové scéně

Psychoaktivní látky se staly fenoménem moderní doby. Rodí se i nové syntetické drogy. Můžeme se s nimi setkat i v Česku. Závody kdo z koho mezi...

Hipokampus – náš „Atlas světa“uzamčeno

Jak je hipokampus „postaven“ a co se v něm odehrává?

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné