แผนที่สมองหนึ่งลูกบาศก์มิลลิเมตรที่ความละเอียดระดับนาโนสเกล

 (nature.com)
2 คะแนน โดย GN⁺ 2024-05-11 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp

งานวิจัยที่ทำแผนที่สมองชิ้นเล็ก ๆ ได้อย่างน่าทึ่ง

  • นักวิทยาศาสตร์ของ Google สร้างแบบจำลองสมองมนุษย์ส่วนเล็ก ๆ ด้วยความละเอียดระดับนาโนสเกล
  • พบเซลล์ที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งไม่เคยถูกค้นพบมาก่อน
  • ผลการวิจัยเผยแพร่ในวารสาร Science วันนี้ และสามารถดูได้ทางออนไลน์

ผลลัพธ์การทำแผนที่ 3 มิติของชิ้นส่วนสมอง

  • วัตถุศึกษาคือชิ้นส่วนสมองขนาดประมาณ 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตร ซึ่งมีขนาดเพียง 1 ใน 1,000,000 ของสมองทั้งหมด
  • มีเซลล์ราว 57,000 เซลล์ และไซแนปส์ 150 ล้านจุด (การเชื่อมต่อระหว่างนิวรอน)
  • เก็บข้อมูลมหาศาลรวม 1.4 เพตะไบต์
  • Viren Jain นักวิจัยของ Google กล่าวว่า การทำความเข้าใจความซับซ้อนนี้คงไม่ใช่เรื่องง่าย

กระบวนการเตรียมตัวอย่างและการสร้างภาพของตัวอย่างสมอง

  • ใช้ตัวอย่างจากเยื่อหุ้มสมองใหญ่บางส่วนของผู้หญิงอายุ 45 ปีที่เข้ารับการผ่าตัดรักษาโรคลมชัก
  • แช่ในสารกันเสียและย้อมด้วยโลหะหนักเพื่อให้มองเห็นเซลล์ได้ชัดเจน
  • ทีมของ Jeff Lichtman นักประสาทวิทยาจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด หั่นเป็น 5,000 ชิ้นที่มีความหนา 34 นาโนเมตร แล้วถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
  • ทีม Google สร้างโมเดล AI เพื่อประกอบภาพจากกล้องจุลทรรศน์กลับเป็นภาพ 3 มิติ

นิวรอนผิดปกติที่เพิ่งถูกค้นพบ

  • พบนิวรอนที่สร้างการเชื่อมต่อได้มากถึง 50 จุดต่อกัน (ปกติมากสุดราว 2 จุด)
  • ยังพบนิวรอนที่มีแขนงยื่นซึ่งพันรอบตัวเองจนเกิดเป็นปม
  • พบคู่นิวรอนคู่หนึ่งที่มีความสมมาตรกันแทบสมบูรณ์
  • บทบาทของโครงสร้างเหล่านี้ยังไม่ชัดเจน

ความจำเป็นในการตรวจสอบข้อมูลมหาศาลนี้

  • ข้อมูลส่วนใหญ่ยังไม่ได้รับการตรวจสอบด้วยมือ จึงอาจมีข้อผิดพลาดจากกระบวนการประกอบภาพ
  • จากเซลล์ 50,000 เซลล์ มีเพียงไม่กี่ร้อยเซลล์ที่ได้รับการตรวจสอบ
  • Jain หวังว่าผู้เชี่ยวชาญจะช่วยตรวจสอบส่วนของแผนที่ที่เกี่ยวข้องกับความสนใจของตนโดยตรง
  • มีแผนจะสร้างแผนที่ลักษณะคล้ายกันจากตัวอย่างสมองของคนอื่นต่อไป แต่คาดว่าการสร้างแผนที่สมองทั้งก้อนยังคงเป็นเรื่องยากในอีกหลายทศวรรษข้างหน้า

ความสำคัญและผลที่คาดหวังของงานวิจัย

  • Hongkui Zeng จาก Allen Institute ประเมินว่างานนี้เป็นความสำเร็จครั้งสำคัญของการสร้างชุดข้อมูลเยื่อหุ้มสมองใหญ่ของมนุษย์
  • ข้อมูลมหาศาลที่เปิดเผยอย่างเสรีจะช่วยการศึกษาวงจรประสาทระดับจุลภาคของเยื่อหุ้มสมองใหญ่ได้มาก
  • Yongsoo Kim จาก Pennsylvania State University คาดว่าแผนที่นี้จะช่วยเผยกฎใหม่ของการเชื่อมต่อประสาท และมีส่วนช่วยถอดรหัสการทำงานของสมองมนุษย์
  • หากเข้าใจหลักการทำงานของเยื่อหุ้มสมองใหญ่ได้ลึกซึ้งขึ้น ก็อาจนำไปสู่เบาะแสในการรักษาโรคทางจิตเวชและโรคระบบประสาทเสื่อม

ความเห็นของ GN⁺

  • งานวิจัยนี้แม้มีขนาดเล็ก แต่มีความสำคัญมากตรงที่ให้ข้อมูลรายละเอียดของโครงสร้างและการเชื่อมต่อของสมองในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน อย่างไรก็ตาม ด้วยขนาดข้อมูลที่มหาศาล จึงดูว่าจะต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการตรวจสอบและตีความ

  • ภารกิจต่อเนื่องที่สำคัญคือการอธิบายบทบาทและความหมายของโครงสร้างนิวรอนผิดปกติที่เพิ่งค้นพบใหม่ สิ่งนี้อาจนำไปสู่ข้อมูลเชิงลึกสำคัญในการทำความเข้าใจหลักการทำงานของสมองและกลไกของโรคที่เกี่ยวข้อง

  • หากในอนาคตมีการสร้างแผนที่สมองเพิ่มขึ้นและมีการสะสมข้อมูลมากขึ้น ก็อาจต่อยอดไปสู่การพัฒนายาใหม่หรือการแพทย์แม่นยำได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม ก็ดูจำเป็นต้องมีฉันทามติทางสังคมเกี่ยวกับประเด็นด้านจริยธรรมและกฎหมายด้วย

  • แม้ยังอีกไกลกว่าจะเข้าใจความซับซ้อนของสมองได้อย่างสมบูรณ์ แต่งานวิจัยครั้งนี้ก็น่าจะนับเป็นหมุดหมายสำคัญของวงการประสาทวิทยา และยังเป็นตัวอย่างที่น่าจับตาของความร่วมมือข้ามสาขาระหว่างทีมวิจัยของ Google และ Harvard ที่ออกผลอย่างงดงาม

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-05-11
ความคิดเห็นจาก Hacker News
  • ภาพแสดงผลแบบโต้ตอบทำออกมาได้ยอดเยี่ยมมาก
    • ลองซูมเข้าไปที่ชิ้นตัดและเลื่อนดูแต่ละเลเยอร์ หรือซูมดูโมเดล 3D
    • จะเห็นว่าเมื่อนำเมาส์ไปวางเหนือส่วนหนึ่งของนิวรอน นิวรอนทั้งเซลล์นั้นจะถูกไฮไลต์
  • แผนที่ 3D ครอบคลุมปริมาตรราว 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตร ซึ่งเท่ากับประมาณหนึ่งในล้านของสมองทั้งหมด และมีเซลล์ประมาณ 57,000 เซลล์กับไซแนปส์ 150 ล้านจุด (การเชื่อมต่อระหว่างนิวรอน)
  • สิ่งนี้ให้การคำนวณคร่าวๆ ว่าต้องใช้โมเดลโครงข่ายประสาทขนาดใหญ่แค่ไหนเพื่อเลียนแบบสมองมนุษย์
    • หากสมมติว่านิวรอนหนึ่งตัวมีไซแนปส์เฉลี่ย 2,632 จุด สมองมนุษย์วัยผู้ใหญ่ที่มีนิวรอน 1 แสนล้านตัวก็น่าจะมีไซแนปส์รวม 2.6x10^14 จุด
    • หากสมมติว่าไซแนปส์หนึ่งจุดมี 1 พารามิเตอร์ ขนาดโมเดลขั้นต่ำก็ควรใหญ่กว่า GPT-4 หลายร้อยเท่า
    • แต่หากคำนึงว่าไซแนปส์หนึ่งจุดมีช่องไอออน 10-100 ช่อง และแต่ละช่องต้องมีอย่างน้อย 10 พารามิเตอร์ ก็ดูเหมือนว่าจะต้องใช้มากกว่า 2.6x10^16 พารามิเตอร์
  • ควรกลับไปอ่าน "There's Plenty of Room at the Bottom" ของ Richard Feynman อีกครั้ง
    • ให้สังเกตช่วงที่นักชีววิทยาขอให้เขาสร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ทรงพลังกว่าเดิม 1,000 เท่า
    • และให้สังเกตเทคโนโลยีที่ใช้สแกนภาพเหล่านี้ด้วย
  • เมื่อดูจากภาพของนิวรอนเดี่ยว นักวิจัยด้านการจำลองสมองน่าจะต้องคำนวณประมาณการพลังประมวลผลที่ต้องใช้ใหม่
  • มีคำเรียกความรู้สึกไม่สบายใจเล็กๆ ที่เกิดจากการดูภาพสมองจากกล้องจุลทรรศน์แบบนี้หรือไม่? สงสัยว่านี่เป็นปฏิกิริยาปกติไหม
  • สงสัยว่าเขาตัดเป็นชิ้นบาง 5,000 ชิ้นที่หนา 34nm ได้อย่างไรโดยไม่ทำให้ตัวอย่างเสียหาย
  • มีการคำนวณว่าหากจะสแกนสมองมนุษย์ขนาดใหญ่ทั้งก้อน จะต้องใช้พื้นที่เก็บข้อมูล 1.76 zettabytes
  • มีการระบุว่าชิ้นส่วนสมองถูกนำมาจากเปลือกสมองของผู้หญิงอายุ 45 ปีที่เข้ารับการผ่าตัดรักษาโรคลมชัก จึงสงสัยว่าเขาตัดสินใจอย่างไรว่าจะตัดส่วนไหนออก
  • การสร้างปริมาตร 3D จากชิ้นตัด 2D อย่างแม่นยำนั้นเป็นสาขาที่มีการศึกษามาดีอยู่แล้ว แล้วทำไมนักวิจัยจึงเลือกใช้โมเดล ML ที่เสี่ยงต่อการได้ผลลัพธ์หลอนผิดพลาด?
  • อีกหนึ่งหลักฐานที่อาจชี้ว่า AGI (Artificial General Intelligence) น่าจะเป็นไปไม่ได้
    • การเพาะสมองชีวภาพจริงน่าจะง่ายกว่ามาก
    • มันคงไม่มีวันเกิดขึ้นบนซิลิคอน และเครื่องจักรทุกเครื่องจะมีบล็อกเนื้อเยื่อประสาทขนาดลูกบาศก์เซนติเมตรฝังอยู่ข้างในสักแห่ง