Open source λογισμικό αποκαλύπτει την πλήρη 3D αρχιτεκτονική των εγκεφαλικών κυττάρων

Οι νευρώνες του εγκεφάλου μας, που αποτελούν τη βάση της σκέψης και της μνήμης, επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω 3D μικροσκοπικών δενδριτικών προεκτάσεων γνωστών ως δενδριτικές άκανθες. Αυτές οι δομές, που μοιάζουν με λεπτά κλαδιά, παίζουν κρίσιμο ρόλο στη μετάδοση των νευρικών σημάτων και στη δημιουργία των συνάψεων.

Τώρα, επιστήμονες από το Ινστιτούτο Zuckerman του Πανεπιστημίου Columbia ανέπτυξαν ένα ισχυρό λογισμικό τεχνητής νοημοσύνης που μπορεί να χαρτογραφεί αυτόματα αυτές τις άκανθες σε τρισδιάστατες εικόνες νευρώνων. Το εργαλείο, το οποίο φέρει την ονομασία RESPAN (Restoration Enhanced Spine and Neuron Analysis), διατίθεται δωρεάν και ανοιχτού κώδικα, ώστε να είναι προσβάσιμο από ερευνητές σε όλο τον κόσμο.

Η νέα εποχή στην ανάλυση των νευρικών κυττάρων

Η σχετική μελέτη, με τίτλο «A deep learning pipeline for accurate and automated restoration, segmentation, and quantification of dendritic spines», δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Cell Reports Methods.

«Οι δενδριτικές άκανθες είναι συχνά τα πρώτα σημεία του εγκεφάλου που επηρεάζονται σε νευροεκφυλιστικές ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ και ο Πάρκινσον», εξηγεί ο Sergio Bernal-Garcia, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Δρ. Franck Polleux, επικεφαλής της μελέτης. «Η καλύτερη κατανόησή τους είναι επομένως ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη νέων θεραπειών».

Μέχρι σήμερα, η καταμέτρηση των δενδριτικών ακανθών γινόταν χειροκίνητα, μέσω εξαντλητικής ανάλυσης εκατοντάδων εικόνων νευρώνων — μια διαδικασία που μπορεί να διαρκέσει εβδομάδες ή και μήνες. Με το RESPAN, όμως, η ίδια εργασία ολοκληρώνεται σε λίγα λεπτά.

Πώς λειτουργεί το RESPAN

Το RESPAN χρησιμοποιεί αλγορίθμους βαθιάς μάθησης (deep learning) για να εντοπίζει αυτόματα κάθε δενδριτική άκανθα σε μικροσκοπικές εικόνες. Το λογισμικό:

• Αναγνωρίζει τη θέση κάθε άκανθας πάνω στο κύτταρο.

• Υπολογίζει τον όγκο, το μήκος και την επιφάνειά της.

• Μετρά την απόσταση από το κεντρικό σώμα του νευρώνα.

• Μπορεί να εφαρμοστεί ακόμα και σε ζωντανά ζώα, επιτρέποντας δυναμική παρακολούθηση.

Επιπλέον, περιλαμβάνει προαιρετικά στάδια αποκατάστασης εικόνας, τα οποία διευκολύνουν την ανάλυση δύσκολων δεδομένων, καθώς και εργαλεία για εκπαίδευση του συστήματος σε διαφορετικά σύνολα εικόνων.

Το RESPAN ξεπέρασε σε ακρίβεια τόσο την παραδοσιακή χειροκίνητη ανάλυση όσο και προηγούμενα αυτοματοποιημένα εργαλεία, μειώνοντας σημαντικά τα ψευδώς θετικά και ψευδώς αρνητικά αποτελέσματα.

Επιστημονική ακρίβεια και ανοιχτή πρόσβαση

«Με το ελεύθερα διαθέσιμο εργαλείο μας, οι ερευνητές μπορούν να αυξήσουν σημαντικά τη συνέπεια και την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων τους, αντιμετωπίζοντας ταυτόχρονα το πρόβλημα της αναπαραγωγιμότητας στην επιστήμη», δήλωσε ο Δρ. Luke Hammond, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης και πρώην διευθυντής της Πλατφόρμας Κυτταρικής Απεικόνισης του Ινστιτούτου Zuckerman.

Σήμερα, ο Δρ. Hammond είναι διευθυντής Ποσοτικής Απεικόνισης στο Ιατρικό Κέντρο Wexner του Πανεπιστημίου του Οχάιο, όπου συνεχίζει την έρευνά του στην υπολογιστική νευροεπιστήμη.

Ευκολία χρήσης για όλους

Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα του RESPAN είναι η απλότητα στη χρήση του. «Πολλοί επιστήμονες προτιμούν ακόμα χειροκίνητες μεθόδους, επειδή τα υπάρχοντα λογισμικά είναι δύσχρηστα ή περιορισμένα ως προς την ακρίβεια», εξηγεί ο Hammond. «Γι’ αυτό φροντίσαμε το RESPAN να είναι φιλικό προς τον χρήστη, χωρίς να απαιτεί γνώσεις προγραμματισμού».

Οι δημιουργοί του λογισμικού έχουν αναρτήσει εκπαιδευτικό βίντεο στο YouTube με βήμα-βήμα οδηγίες, ώστε κάθε ερευνητής να μπορεί να το χρησιμοποιήσει εύκολα. Το πρόγραμμα μπορεί να λειτουργήσει σε υπολογιστές ή φορητά με NVIDIA GPU, ενώ η ανοιχτού κώδικα φύση του επιτρέπει σε άλλους επιστήμονες να το τροποποιήσουν και να το βελτιώσουν.

Νέες δυνατότητες για τη νευροεπιστήμη

Η δυνατότητα χαρτογράφησης κάθε δενδριτικής άκανθας σε έναν νευρώνα ανοίγει νέους ορίζοντες στην κατανόηση του εγκεφάλου. «Με τη χωρική χαρτογράφηση κάθε άκανθας μπορούμε να ανακαλύψουμε εάν συγκεκριμένες περιοχές είναι πιο ευάλωτες σε ασθένειες και να διερευνήσουμε αν οι άκανθες διαφέρουν μοριακά ανάλογα με τη θέση τους», αναφέρει ο Bernal-Garcia. Αυτό το επίπεδο ανάλυσης θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναγνωρίσουν πρώιμα σημάδια νευροεκφυλιστικών παθήσεων και να κατανοήσουν καλύτερα πώς οι συνάψεις μεταβάλλονται στη διάρκεια της μάθησης, της μνήμης και της γήρανσης.

Μια νέα εποχή ανοικτής επιστήμης

Το RESPAN αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς την “ανοιχτή επιστήμη”, καθώς προσφέρει σε ερευνητές παγκοσμίως ένα ισχυρό, αξιόπιστο και δωρεάν εργαλείο για τη μελέτη του εγκεφάλου. Οι δημιουργοί του ενθαρρύνουν την επιστημονική κοινότητα να συμβάλει ενεργά στην εξέλιξή του:

«Ελπίζουμε οι ερευνητές να το προσαρμόσουν, να το βελτιώσουν και να το χρησιμοποιήσουν για ανακαλύψεις που δεν ήταν μέχρι σήμερα εφικτές», δήλωσε ο Bernal-Garcia. Με τη δύναμη της τεχνητής νοημοσύνης και την ανοιχτή πρόσβαση στη γνώση, η χαρτογράφηση της τρισδιάστατης αρχιτεκτονικής των εγκεφαλικών κυττάρων φέρνει την επιστήμη ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση του ανθρώπινου νου.