Μια ομάδα ερευνητών από το University of California, San Francisco (UCSF) και το Allen Institute for Cell Science κατάφερε κάτι που μέχρι πρόσφατα έμοιαζε αδύνατο: δημιούργησε τον πιο λεπτομερή χάρτη του εγκεφάλου ενός ποντικού χρησιμοποιώντας ένα σύστημα τεχνητής νοημοσύνης τύπου ChatGPT. Ο νέος αυτός «ψηφιακός εγκέφαλος», που δημοσιεύθηκε στις 7 Οκτωβρίου στο περιοδικό Nature Communications, αποκαλύπτει 1.300 διαφορετικές περιοχές του οργάνου, πολλές από τις οποίες δεν είχαν ποτέ καταγραφεί ή περιγραφεί με σαφήνεια.
Σε αντίθεση με τις προηγούμενες χαρτογραφήσεις, όπου οι επιστήμονες έπρεπε να σχολιάζουν και να καθορίζουν με το χέρι κάθε περιοχή του εγκεφάλου, η νέα μελέτη βασίστηκε εξ ολοκλήρου στην τεχνητή νοημοσύνη. Το μοντέλο, που αναπτύχθηκε από τον καθηγητή Reza Abbasi-Asl και τον διδακτορικό του φοιτητή Alex Lee, ονομάζεται CellTransformer και χρησιμοποιεί δεδομένα από τη λεγόμενη spatial transcriptomics, μια τεχνική που αποκαλύπτει πώς τα κύτταρα χρησιμοποιούν τις γενετικές τους πληροφορίες για να παράγουν πρωτεΐνες, ενώ ταυτόχρονα δείχνει τη γεωγραφική τους θέση μέσα στον ιστό.
Η μέθοδος αυτή έχει ήδη δώσει τεράστιο όγκο πληροφοριών για το νευρικό σύστημα, όμως η επεξεργασία τους αποτελεί μια πολύπλοκη πρόκληση. Μέχρι σήμερα, η δημιουργία ενός πλήρους χάρτη απαιτούσε χιλιάδες ώρες χειροκίνητης ανάλυσης, καθώς οι ερευνητές έπρεπε να συνδυάζουν πειραματικά δεδομένα και να «σχεδιάζουν» κυριολεκτικά τα όρια κάθε περιοχής του εγκεφάλου. Το αποτέλεσμα συχνά ήταν «θολό», αφού η ανάλυση του τεράστιου όγκου των δεδομένων οδηγούσε σε ασαφή όρια μεταξύ των τμημάτων του εγκεφάλου.
Σε αυτό το σημείο ήρθε η καινοτομία του CellTransformer. Όπως τα μεγάλα γλωσσικά μοντέλα (Large Language Models) τύπου ChatGPT μπορούν να προβλέπουν σχέσεις ανάμεσα στις λέξεις, το νέο AI σύστημα κάνει κάτι παρόμοιο, αλλά με κύτταρα: αναλύει τη σχέση και τη θέση τους στον χώρο, αναγνωρίζοντας πρότυπα που διαφεύγουν από την ανθρώπινη παρατήρηση.
«Χτίζουμε το κομμάτι που έλειπε ανάμεσα στα δεδομένα της spatial transcriptomics και την παραδοσιακή χαρτογράφηση του εγκεφάλου», εξηγεί ο Abbasi-Asl. Το αποτέλεσμα είναι ένας νέος χάρτης με πολύ πιο καθαρά όρια ανάμεσα στις περιοχές του εγκεφάλου, αλλά και με την αποκάλυψη μικρότερων, άγνωστων έως σήμερα ζωνών.
Ο χάρτης καλύπτει 1.300 διαφορετικά τμήματα και περιλαμβάνει πληροφορίες από περισσότερα από 9 εκατομμύρια κύτταρα. Η ομάδα συνέκρινε τα αποτελέσματα του AI με το Common Coordinate Framework (CCF) του Allen Institute, τον «χρυσό κανόνα» στη χαρτογράφηση του εγκεφάλου του ποντικού, και διαπίστωσε ότι τα δύο συστήματα συμφωνούν σε εξαιρετικά μεγάλο βαθμό. Αυτό ενίσχυσε την πεποίθηση των ερευνητών ότι το CellTransformer δεν μιμείται απλώς, αλλά βελτιώνει τις υπάρχουσες μεθόδους.
Η τεχνητή νοημοσύνη δεν περιορίστηκε στην επιβεβαίωση γνωστών περιοχών, όπως ο ιππόκαμπος, το κέντρο της μνήμης και της μάθησης. Κατάφερε επίσης να χαρτογραφήσει με επιτυχία δυσπρόσιτα τμήματα, όπως ο δικτυωτός πυρήνας του μεσεγκεφάλου, μια περιοχή στο ανώτερο τμήμα του εγκεφαλικού στελέχους που συνδέεται με την επεξεργασία αισθητηριακών και κινητικών πληροφοριών αλλά και με τη ρύθμιση του ύπνου.
Για πρώτη φορά, οι ερευνητές απέκτησαν μια τρισδιάστατη εικόνα του πώς οργανώνονται τα κύτταρα σε αυτές τις δύσκολα προσβάσιμες περιοχές. Οι εικόνες που παρήχθησαν είναι εντυπωσιακές, με πολύχρωμες αποτυπώσεις που μοιάζουν περισσότερο με έργα τέχνης παρά με επιστημονικά δεδομένα, ωστόσο πίσω τους κρύβεται ένας τεράστιος όγκος υπολογιστικής ισχύος και μαθηματικής ακρίβειας.
Οι ερευνητές τονίζουν ότι το CellTransformer δεν περιορίζεται μόνο στον εγκέφαλο. Η ίδια υπολογιστική προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τη χαρτογράφηση άλλων οργάνων, όπως της καρδιάς ή των ιστών που επηρεάζονται από ασθένειες. Ουσιαστικά, ανοίγει ο δρόμος για τη δημιουργία ενός πλήρους «κυτταρικού άτλαντα» του σώματος, ο οποίος θα μπορούσε να αποδειχθεί ανεκτίμητος για την κατανόηση ασθενειών ή τη δημιουργία στοχευμένων θεραπειών.
Ο Abbasi-Asl εκτιμά ότι μελλοντικά το CellTransformer θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε δεδομένα από τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Ωστόσο, η πρόκληση είναι τεράστια: ενώ ο εγκέφαλος του ποντικού περιέχει δεκάδες εκατομμύρια κύτταρα, ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει περίπου 170 δισεκατομμύρια, εκ των οποίων τα 86 δισεκατομμύρια είναι νευρώνες. Για να αποδώσει αποτελέσματα αντίστοιχης ακρίβειας, θα πρέπει να υπάρξει ένας ασύλληπτος όγκος χωρικών δεδομένων.
[via]
