سی و هفت دانشمند از آزمایشگاه Cold Spring Harbor (CSHL) و 20 موسسه تحقیقاتی بزرگ دیگر در ایالات متحده و اروپا چالش بزرگی را برای جامعه علوم اعصاب ایجاد کرده اند. آنها در مقاله ای که به تازگی منتشر شده است، در نهایت زمان آن فرا رسیده است که نقشه جامعی از مدارهای عصبی اصلی در مغز پستانداران جمع آوری شود.
در عصری که در آن ژنوم بسیاری از ارگانیسم ها، از جمله ژنوم انسان، به طور کامل توالی یابی شده است و هر کسی با رایانه در هر کجای دنیا می تواند فوراً به آن دسترسی داشته باشد، شگفت آور است که در نظر بگیریم که "ما داریم پروفسور پارتا پی می‌گوید، هنوز نتوانسته‌ایم یک نقشه کل مغزی از مدارهایی که زیربنای عملکرد مغز ما است، تهیه کنیم.میترا، دکترا، نویسنده ارشد مقاله و رهبر پروژه معماری مغز در حال انجام در CSHL، که توسط بنیاد WM Keck تامین می شود. برای کمک به رفع این شکاف دانش، میترا در سال 2007 و 2008 مجموعه‌ای از جلسات را در مرکز CSHL Banbury ترتیب داد که این پیشنهاد از آنجا شکل گرفت.
میترا و همکارانش در مقاله خود مشاهده کردند که "دانش اندک" جامعه علوم اعصاب در مورد مدارهای عصبی تشریحی پستانداران "شاید بزرگترین خلأ در دانش ما در مورد ساختار سیستم عصبی باشد."
آنها می گویند:مورد اختصاص منابع به مونتاژ یک نقشه مدار کل مغز به ویژه قوی است، زیرا تقریباً به طور قطع بینشی در مورد آنچه در اختلالات مغزی که طیف وسیعی از بیماری های عصبی رشدی از جمله اوتیسم، اسکیزوفرنی را در بر می گیرد، ارائه می دهد. و شاید اختلالات خلقی مانند افسردگی، بیماری دوقطبی و اختلال وسواس فکری-اجباری (OCD).علاوه بر این، نویسندگان استدلال می‌کنند که پیشرفت‌های فن‌آوری همراه با کاهش محاسباتی و تکمیل اولین نقشه مداری از کل مغز موش در عرض دو تا سه سال، به عنوان اولین گام برای نقشه‌برداری معماری مغز مهره‌داران در میان گونه‌ها. پروژه پیشنهادی به طور ایده‌آل توسط دانشمندان علوم اعصاب در چندین موسسه طبق پروتکل‌های استاندارد شده به طور همزمان دنبال می‌شود. دکتر جیسون بوهلند، محقق فوق دکتری علوم اعصاب در CSHL و نویسنده اصلی مقاله، می گوید: «از این نظر، با تلاش چند مؤسسه برای تعیین توالی ژنوم انسان، با این تمایز مهم که ما انجام می دهیم، می گوید: «از این نظر. نقشه مدار مغزی می‌تواند بسیار سریع‌تر تکمیل شود و بخش کوچکی از پروژه ژنوم هزینه خواهد داشت - به اندازه چند میلیون دلار که حدوداً تا 20 میلیون دلار متغیر است، بسته به مازاد پوششی که به آن متعهد هستیم.»
تا به امروز، تحقیقات روی مغز پستانداران - معمولاً جوندگان و نخستی‌های غیر انسانی - با استفاده از تکنیک‌های مختلف، تنها بخش کوچکی از کل مجموعه مسیرهای عصبی را به شیوه‌ای غیر سیستماتیک توصیف کرده است..اگرچه پیشرفت‌های چشمگیری در توانایی دانشمندان علوم اعصاب برای بررسی و اندازه‌گیری خروجی تک تک سلول‌های عصبی در مغز جانوران زنده صورت گرفته است، اما چنین مطالعاتی در مورد نحوه اتصال مغز به‌عنوان کل به یکدیگر روشن نشده است. تقریباً به همان روشی که مطالعه ژنوم به تأکید بر شبکه‌های ژن‌های متقابل تغییر کرده است، دانشمندان علوم اعصاب شروع به درک اهمیت ویژگی‌های سطح مدار در مغز عادی و ناکارآمد کرده‌اند.
به گفته میترا، این تا حدی قابل توجه است زیرا "ویژگی معمارانه تعیین کننده سیستم عصبی دقیقاً این است که یک مدار را تشکیل می دهد." بنابراین، یک سوال مهم این است که در چه سطحی از وضوح می توان یک نمودار مدار کل مغز را امتحان کرد. میترا و همکارانش پیشنهاد داده اند که مداری را در مغز موش در آنچه که آنها "مقیاس مزوسکوپی" می نامند، نقشه برداری کنند. جایی بین میکرو و ماکروسکوپی، این سطح میانی با سازماندهی معماری اساسی مغز موش از نظر ساختار سلولی، شیمیایی و ژنتیکی مشاهده شده مطابقت دارد.مهمتر از همه، نویسندگان انتظار دارند که این سطحی باشد که در آن الگوی ارتباطات در حیوانات منفرد دارای درجه مشترک قابل توجهی باشد که در نهایت توصیفی معنادار و قابل انجام از ساختار مغز ارائه می‌کند.
ردیابی ورودی ها و خروجی های هر ناحیه
سازماندهی مغز در سطح ماکروسکوپی - سطح کل سیستم‌های ساختاری-عملکردی و دسته‌های اصلی فیبر عصبی - تا حدودی درک شده است، اما سطح ناکافی از توصیف نمودار سیم‌کشی کلی را ارائه می‌کند. برخی از دانشمندان استدلال کرده‌اند که بهتر است ساختار مغز موش را در سطح میکرو سیناپس‌های منفرد ترسیم کنیم - شکاف‌های بی‌شماری که نورون‌ها با هم ارتباط برقرار می‌کنند، با کمک انتقال‌دهنده‌های عصبی و تعدیل‌کننده‌هایی مانند گلوتامات، GABA، استیل کولین، دوپامین و سروتونین.. اما این کار از نظر فناوری در مقیاس گسترده مغز برای موش امکان پذیر نیست، چه رسد به مغز مهره داران بزرگتر. میترا می‌گوید ذخیره‌سازی داده‌ها در چنین مقیاسی، که شامل ذخیره‌سازی تصاویر با وضوح نانومتری ساخته‌شده با میکروسکوپ‌های الکترونی است، می‌تواند تا یک میلیارد دلار هزینه داشته باشد.
در مقابل، به گفته میترا، پروژه پیشنهادی "هم از نظر فنی و هم از نظر اقتصادی کاربردی است و شامل تکنیک هایی است که به خوبی اثبات شده اند". تمام اندازه‌گیری‌ها در موش‌های آزمایشگاهی استاندارد دقیقاً در همان سن رشد - 56 روز، مانند پروژه اطلس مغز آلن انجام خواهد شد. به هر موش یک یا چند ردیاب در یک ناحیه مغز تزریق می شود که به طور فعال در داخل سلول های عصبی منفرد منتقل می شوند. این ردیاب‌ها ممکن است مولکول‌های "معمولی" باشند که توسط متخصصان عصبی در چندین دهه گذشته استفاده شده‌اند، یا ویروس‌های مهندسی شده‌ای که سلول‌ها را در محل تزریق آلوده می‌کنند و وسعت آنها را از طریق بیان یک پروتئین فلورسنت مشخص می‌کنند. کاربرد این تکنیک‌ها در ردیابی نورون‌های برون‌تابی یا از پایانه‌های آکسون به اجسام سلولی بالقوه دور و یا برعکس است.
با هم، ردیاب ها نمایی از الگوی ورودی ها و خروجی ها را برای یک مکان معین در مغز ارائه می دهند. این الگوها از تصاویر برش های مغزی با برش نازک که با استفاده از میکروسکوپ نوری به دست آمده اند، با بهره گیری از فناوری های اخیر در دسترس برای اسکن سریع و خودکار مجموعه ای از اسلایدها و دیجیتالی کردن آنها، نقشه برداری خواهند شد.
استخراج و ترکیب نتایج در هر موش جداگانه یک چالش محاسباتی خواهد بود که مستلزم خودکارسازی بسیاری از مراحلی است که متخصصان عصبی اکنون با دست انجام می دهند. بوهلند از این چالش ها آگاه است. او اذعان می‌کند: «حل این مشکلات به طور کلی دشوار است، زیرا شرایط آزمایش‌های فردی می‌تواند بسیار متفاوت باشد.
مجموعه داده کامل شامل صدها ترابایت خواهد بود - با روح پروژه های ژنومی، همه داده های برنامه پیشنهادی به سرعت از طریق وب در دسترس کل جامعه تحقیقاتی قرار می گیرد.
در حالی که تمرکز فوری اکنون بر این است که پروژه اتصال موش به ثمر برسد، نویسندگان همچنین از فهرست‌نویسی و دیجیتالی کردن نتایج حاصل از مطالعات موجود در گونه‌های دیگر، و پر کردن شکاف‌های کلیدی با مطالعات هدفمند استفاده می‌کنند.علاوه بر این، آنها استدلال می کنند که نیاز مهمی برای توسعه بیشتر و اعتبار سنجی تکنیک های تجربی وجود دارد که می توانند مستقیماً در مغز انسان استفاده شوند.
مقایسه مدارها در مغز سالم با مغز در اوتیسم یا اسکیزوفرنی
شاید هیجان‌انگیزترین جنبه چنین پروژه نقشه‌برداری مغزی، احتمال عمیق‌تر کردن درک ما از آنچه در سطح مدار در بیماری‌های عصبی-روان‌پزشکی نادرست است، باشد. در حال حاضر، دانشمندان فاقد داده هایی از این نوع هستند که با آن بتوانند روی نظریه های علت و مکانیسم بیماری کار کنند. میترا می‌گوید: «در سال‌های اخیر، دانشمندان بسیاری از موش‌ها مدل‌هایی از اختلالات پیچیده مختلف مانند اسکیزوفرنی یا اوتیسم ساخته‌اند. اما تا کنون هیچ‌کس نتوانسته است مشخص کند که وقتی شما یکی از این اختلالات مخرب را دارید، چه چیزی در مدارهای مغزی اشتباه می‌کند. بیماری ها.
"حداقل برای اختلالات رشد عصبی فرض شده است که مدار در طول فرآیند رشد تغییر می کند و به نوعی مدار را به طور اساسی تغییر می دهد.هنگامی که موفق به ترسیم کامل مغز موش سالم شدیم، می‌توانیم به طور عینی تفاوت مدار کل مغز را در موش‌هایی که جنبه‌های مختلف رفتارها یا تغییرات ژنتیکی شناخته شده مرتبط با بیماری‌های انسانی مانند اوتیسم یا اسکیزوفرنی را مدل می‌کنند، اندازه‌گیری کنیم..
"من فکر می کنم این یک قطعه مهم گمشده در هر تلاشی برای درک مقایسه ای است، نه در سطح رفتار مشاهده شده، یا در سطح ژنوم، بلکه در سطح مدار مغز، چگونه افراد سالم هستند. میترا می‌گوید، با کسانی که بیماری دارند متفاوت است. با یک نقشه مداری، می‌توانیم فنوتیپ‌های مدار بیماری را برای بیماری‌های رشد عصبی فرض کنیم، که به نوبه خود، باید به درک جدیدی از علت و مکانیسم بیماری و توسعه رویکردهای درمانی جدید منجر شود.
با این حال، اولین چالش ما این است که همکاران خود در زمینه علوم اعصاب را درگیر کنیم و آنها را در پروژه برای دریافت اولین پیش نویس مغز سالم موش بکار گیریم. این اولین قدم ضروری قبل از شروع بررسی مدارهای مغز در بیماری است. و مقایسه کردن."
