Как функционират 80 000 неврона
Последно: 1 август 2014 г. в 21:30
На видеото, представено под статията, може да се видят процесите от дейността на около 80% от невроните, от които се състои мозъкът на риба зебра.
Дейността на невроните се явява реакция на външни дразнители, а за заснемането им учените от Медицинския институт Хауърд Хюз използвали нова технология, наречена послойно оптично сканиране (light-sheet imaging), която позволява да се запечатат протичащите процеси с безпрецедентно ниво на детайлизация.
За организирането на снимките на дейността на невроните учените използвали генномодифицирани риби зебри. Проведената генетична модификация засегнала именно невроните на главния мозък на живия организъм, които получили химични индикатори, придобиващи флуоресцентни свойства за части от секундата след активирането на неврона.
Лазерен лъч, фокусиран на определено ниво и преместващ се с достатъчно висока скорост, кара активираните неврони да светят. Благодарение на това, че тялото и мозъкът на рибата зебра са напълно прозрачни, камерата, намираща се отгоре, може да фиксира и изображението на невроните, от които след това се „съшива“ динамичен триизмерен модел.
В началото на видеото рибата се намира в пълен покой и крайната дясна област на нейния мозък, отговаряща за обработката на визуална информация, „избликва“ изключително рядко. С прожектирани изображения на движещи се кадри учените създали илюзия, че рибата се движи назад.
Практически моментално започва бурна дейност във визуалната част на мозъка, след това тя се разпространява и върху други участъци, след което електродите, внедрени в тялото на рибата, започват да фиксират картина, съответстваща на извършването на плавателни движения от тялото на рибата.
За получаването на това видео са изразходвани огромно количество ресурси от разпределителната изчислителна система Apache Spark. Проблемът се заключава в това, че един времеви „срез“, грубо казано, на кадър с продължителност около 1,5 секунди, отнема повече от 1 терабайт данни и за съставяне на динамичен модел компютърът трябвало да прехвърли огромен обем данни.
Моделирането е проведено с помощта на софтуерния пакет Hadoop MapReduce, основан на алгоритми, подобни на алгоритмите за търсене, използвани от компанията Google. Софтуерът Hadoop MapReduce е доста прост в работата и притежава всички необходими функции, но той зарежда от диска целия набор данни отново в началото на всяка операция. Този проблем бил решен със системата за кеширане Apache Spark, благодарение на което процесите по изчисление се ускорили буквално десет пъти.
Освен споменатия комплекс Hadoop MapReduce учените използвали собствената си библиотека с аналитични инструменти Thunder, която е достъпна за свободно използване от общността на учените биолози.
Миналата година същият екип учени отново заснели дейността на невроните на риба зебра. Но използваната тогава технология, в която бил задействан специализиран микроскоп, не могла да осигури нито изображение на дейността на отделните неврони, нито висока резолюция.
