Ókori térképektől az MI-forradalomig
Az agytérképezés története a 20. század elején indult, amikor Brodmann német neurológus vizsgálni kezdte a kéreg különböző szövettani mintázatait. Azóta az anatómusok lassan, kézi rajzokkal és mikroszkóppal jelölték ki a határokat, egészen odáig, hogy mára az Allen Intézet több mint 1 000 kisebb egységet is megkülönböztet az egér agyában. Ezek a térképek óriási előrelépést jelentenek, mégis szubjektívek – gyakran azon múlik, hogy a kutató éppen mit lát valamiben.
Az utóbbi években a molekuláris biológia és a genetika rohamtempóban változtatta meg az idegtudományt. Ma már minden egyes agysejtről tudható, mely génjei aktívak. Ezekből a génkifejeződési mintázatokból egyre részletesebb képet lehet alkotni arról, hogy mely sejtek pontosan hol és hogyan működnek együtt.
A rendezés káosza: egyedül kevesek vagyunk
A gond csak az, hogy az így kapott adathalmaz – például több millió sejt esetében több száz gén adata – emberi léptékkel feldolgozhatatlan. Az ilyen XXL méretű adatok olyanok, mintha repülőből próbálnánk megrajzolni Budapest utcarészleteit: a háztömbök mögött elvész a városszerkezet. Ezért senki sem volt képes valóban úgy feltérképezni az agy mikroszomszédságait, hogy a sejtcsoportok és azok kapcsolódásai érthetően, objektíven jelenjenek meg.
Hasonlóképpen a város térképészeinek is csak akkor nyílik esélyük arra, hogy papírra vessék az ismeretlen negyedeket, ha ismerik az egyes háztípusok elterjedését és kapcsolatát egymáshoz. Az MI nélkül azonban még ez is lehetetlen vállalkozás lett volna.
CellTransformer: mesterséges idegtérképészek akcióban
Az áttörést a CellTransformer nevű MI-algoritmus hozta el, amelyet az Allen Intézet kutatói fejlesztettek. Öt egérből származó, több mint 10,4 millió sejt genetikai adathalmazát töltötték fel – minden sejt esetében több száz gén aktivitási adataival. Az algoritmust úgy programozták, hogy egy sejt pontos típusát az őt körülvevő többi sejt génmintázataiból következtesse ki. Ezt milliószor megismételve a CellTransformer megtanulta, hogyan csoportosulnak különböző sejttípusok az agyban, végül pedig letisztult, életszerű agytérképeket készített.
A mesterséges intelligencia percek alatt olyan részletességgel képes kijelölni új “szomszédságokat” a korábban ismert nagyobb agyterületeken belül, amire ember egy életen át tartó munkával sem volna képes.
Az MI-algoritmus megerősítette a már ismert agytérképek (például az Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework) főbb szerkezetét, de több új, eddig észrevétlen részegységet is azonosított. Például a mozgásért és jutalomérzésért felelős striatum (caudoputamen-régió) eddig homogén tömbnek tűnt, ám a CellTransformer több rejtett alegységet is elkülönített benne, ami véget vethet a vitáknak arról, hogy miért képes egyszerre annyiféle funkciók ellátására.
Ez a technika ráadásul konzisztensen működött különböző egértörzsek, különböző nemű és eltérően feldolgozott agyak esetén is. A feltárt új régiók pontos funkcióit azonban mostantól lehet csak vizsgálni.
Új kutatási irány: mit rejtenek az idegsejtek utcái?
Az új agytérképen már több mint 1 000 extra “negyedet” különítettek el, ám ezek pontos funkcióját még vizsgálni kell. Tipikus eset, amikor a térképrajzolás csak az első lépés, a valódi felfedezés később jön. Az agy szerkezetének ilyen részletezettsége minden eddiginél pontosabb kísérletezést és beavatkozást tesz lehetővé.
A kutatók következő célja a CellTransformer alkalmazása az emberi agyban. Bár egy emberi agyban mintegy 170 milliárd sejt található – szemben egy egérében található körülbelül 100 millióval –, ha elegendő adat gyűlik össze, a mesterséges intelligencia a mostani alapok mellett készen fog állni a kihívásra.
Felmerül az is, hogy az MI-algoritmust más szövetek, például egészséges és diabéteszes vesék vizsgálatára is be lehet vetni, így feltérképezve bármely szerv sejtszintű “várostérképét”.
Az MI: az ember segítője az agykutatásban
A CellTransformer és társai új időszámítást indítanak az idegrendszer kutatásában. Ezek az eszközök egyre gyorsabban tárják fel azt a biológiai univerzumot, amit az ember egymagában sosem tudna áttekinteni. Ezért a mesterséges intelligencia a jövőben nem pusztán kutatási segédeszköz, hanem minden sejtutakat feltérképező, nélkülözhetetlen társ lesz a fejünkben zajló titokzatos élet megértésében.
