1mm³의 인간 뇌 해부: 우주만큼 복잡한 미시 세계

1mm³의 인간 뇌 해부: 우주만큼 복잡한 미시 세계

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이 글은 인간 뇌와 그 해부학적 구조가 길이, 높이, 폭으로만 제한된다는 주장을 하는 데이빗 모레노에게 바칩니다.

데이빗은 890억 개의 뉴런과 100조 개의 연결망이라는 복잡한 시스템을 길이, 폭, 높이라는 단순한 척도로 완벽하게 매핑하고 측정할 수 있다고 믿습니다.

데이빗, 아래 텍스트와 첨부된 이미지를 통해 단 1mm³의 입방 밀리미터만 봐도 우주만큼 복잡한 구조를 볼 수 있습니다.

인간의 주요 장기 대부분의 기능은 다른 동물과 크게 다르지 않지만, 인간 뇌가 수행하는 기능은 우리를 지구상의 다른 생명체와 확연히 구분 짓습니다.

하지만 인간 뇌 기능의 기반이 되는 시냅스 회로에 대한 자세한 지식은 부족합니다.

현재 연결체 이미징 기법을 사용하여 수천 개의 뉴런 규모에서 개별 뉴런과 시냅스 연결 수준의 연결성을 연구하기에 충분한 크기와 해상도를 가진 신경 회로를 렌더링할 수 있습니다.

이 프로젝트의 목표는 이러한 데이터 세트를 생성하는 것이었습니다.

인간 신경 회로를 얻는 데 있어 한 가지 중요한 장벽은 고품질 인간 뇌 조직에 대한 접근성이었습니다.

장기 생검은 많은 인간 장기 시스템에서 귀중한 정보를 제공하지만, 생검은 종양을 검사하거나 절제하기 위해 뇌에서 거의 수행되지 않으므로 대부분의 생검은 정상적인 인간 뇌 구조 연구에 문제가 됩니다.

한 가지 시도는 인간 세포로 만든 뇌 오가노이드를 사용하는 것이었지만, 현재로서는 뇌 조직 구조를 제대로 모방하지 못합니다 (예: 피질층이 존재하지 않음).

직접적인 접근 방식은 신경 외과적 개입으로 인해 병변 부위에 접근하기 위해 피질 조각이 제거되는 신경 질환 환자로부터 얻은 인간 표본에서 세포와 회로를 매핑하는 것입니다.

우리는 신경 외과 수술의 부산물인 인간 뇌 조직을 활용하여 정상적인 인간 신경 회로, 그리고 궁극적으로는 비정상적인 인간 신경 회로를 연구할 수 있다고 가정했습니다.

여기에서는 모든 피질층을 통과하는 1mm³ 부피의 인간 측두엽 피질 샘플을 설명합니다.

이 샘플은 간질 환자의 해마 병변에 접근하기 위한 수술 중에 얻었습니다.

우리는 이 샘플을 고처리량 연속 절편 전자 현미경으로 이미징하여 새로운 도구와 계산 집약적인 방법으로 분석된 페타스케일 데이터 세트를 생성했습니다.

우리는 수천 개의 뉴런, 1억 개가 넘는 시냅스 연결, 그리고 신경교 세포, 혈관, 미엘린을 포함한 인간 뇌 물질을 구성하는 모든 다른 조직 요소를 재구성했습니다.

우리는 이전에 인식하지 못했던 방향성이 있는 뉴런 종류를 심층에서 발견했고, 샘플 전체에 걸쳐 뉴런 간에 매우 강력하고 희귀한 다중 시냅스 연결을 발견했습니다.

이 연구는 인간 연결체 접근 방식을 통해 정상적인 인간 뇌 기능과 비정상적인 인간 뇌 기능의 물리적 기반을 시각화하고 궁극적으로 통찰력을 얻을 수 있다는 가능성을 보여줍니다.

완전한 매핑이 곧 가능해져 인간 뇌 내의 양자 과정 가능성을 검증할 수 있기를 바랍니다.

천체 물리학자로서, 저는 수십억 개의 분리된 뉴런을 사용할 때 인간 뇌가 완벽한 대칭으로 작동하는 것을 가능하게 하는 양자 과정 이외에는 다른 결론을 내릴 수 없습니다.

인간 뇌에서 약 860억 개의 뉴런은 서로 100조 개의 연결을 형성하며, 아이러니하게도 이는 인간 뇌가 이해하기에는 너무나 큰 숫자입니다.

데이빗, 인간 뇌의 모든 측면에 대한 전문가인 당신은 이제 뇌의 신경망이 길이, 폭, 높이라는 3차원 이상으로 뇌의 다양한 영역에 연결될 수 있다고 생각하십니까?

@모두

The Anatomy of only 1 mm^3 of the Human Brain 🧠

This is dedicated to a special someone, Dear David Moreno, who suggests that the human brain and its anatomy is limited to length, height and breadth, in all its complexity.

And by association, David believes that 89 billion neurons with a network of 100 trillion connections can be completely mapped and measured by using the “complicated” system of length, breadth and height.

So David, in the text below, and illustrated in the attached images, you will see only a single cubed millimetre mapped out, showing a complexity that rivals the Cosmos.

Although the functions performed by most of the vital organs in humans are not very different compared with other animals, those performed by the human brain clearly separate us from the rest of life on the planet.

However, detailed knowledge concerning the synaptic circuitry underlying human brain function is lacking.

Connectomic imaging approaches are now available to render neural circuits of sufficiently large volume and high enough resolution to study the connectivity at the level of individual neurons and their synaptic connections but over a scale comprising thousands of neurons.

Generating such a dataset was the goal of this project.

One critical barrier to obtaining human neural circuits has been the access to high-quality human brain tissue.

Organ biopsies provide valuable information in many human organ systems, but biopsies are rarely done in the brain except to examine or excise neoplastic masses, so most of them are problematic for the investigation of normal human brain structure.

One attempt has been to use brain organoids made from human cells, but at present, they do not approximate brain tissue architectonics (e.g., cortical layers are not present).

A direct approach would be to map cells and circuits from human specimens made available from neurosurgical interventions for neurological conditions in which pieces of the cortex are discarded because they obstruct access to a pathological site.

We posited that the human brain tissue that is a by-product of neurosurgical procedures could be leveraged to study normal, and ultimately disordered, human neural circuits.

Here, we describe such a sample of human temporal cortex, 1 mm^3 in volume, which extends through all cortical layers.

The sample was obtained during surgery to gain access to an underlying hippocampal lesion from a patient with epilepsy.

We imaged this sample by high-throughput serial section electron microscopy, generating a petascale dataset that was analysed with new tools and computationally intensive methods.

We reconstructed thousands of neurons, more than a hundred million synaptic connections, and all of the other tissue elements that comprise human brain matter, including glial cells, the blood vasculature, and myelin.

We found a previously unrecognised class of directionally oriented neurons in deep layers and very powerful and rare multisynaptic connections between neurons throughout the sample.

This work provides evidence of the feasibility of human connectomic approaches to visualise and ultimately gain insight into the physical underpinnings of normal and disordered human brain function.

It is hoped that a complete mapping will soon be possible, allowing us to test the possibility of quantum process within the human brain.

As an astrophysicist, I cannot come to any other conclusion, other than quantum processes which allow the human brain to act in such perfect symmetry when using billions of separated neurons.

In the human brain, some 86 billion neurons form 100 trillion connections to each other, numbers that, ironically, are far too large for the human brain to fathom……..

So David, an expert on all facets of the human brain, do you now believe it possible that the neural networks of a brain could possibly connect to the various regions of the brain in more than just the 3 dimensions of length, breath and height?

@everyone