Connectome ( englanniksi connectome / k ə ˈ n ɛ k t oʊ m / ) on täydellinen kuvaus kehon hermoston yhteyksien rakenteesta [2] [3] . Tutkimusalaa, johon kuuluu hermosolujen yhteyksien arkkitehtuurin kartoittaminen ja analysointi, kutsutaan "konnekomiikaksi".
Ensimmäinen, vuonna 1986, oli sukkulamatomato Caenorhabditis elegans , jonka hermostossa on vain 302 neuronia . Tutkijaryhmä kartoitti kaikki 7 000 neuronien välistä yhteyttä [4] . Mitä tulee ihmisen aivoihin, uusimpien tietojen mukaan[ milloin? ] , sisältää noin 86 miljardia hermosolua ja 10 000 kertaa enemmän yhteyksiä . Uskotaan, että monet ihmisen persoonallisuuden aspektit, kuten persoonallisuus ja älykkyys, sisältyvät hermosolujen välisiin yhteyksiin, joten ihmisen konnektomin kuvaaminen voi olla iso askel kohti monien henkisten prosessien ymmärtämistä. Sukkulamatomadon Caenorhabditis elegans yhteyshenkilön määrittäminen kesti yli 12 vuotta kovaa työtä. Omaamme verrattavan aivojen konnektomin tunnistamiseksi tarvitaan kehittyneempiä automatisoituja tekniikoita, jotka nopeuttavat yhteyksien löytämistä.
Itse termiä "connectome" ehdottivat vuonna 2005 itsenäisesti tutkijat Olaf Sporns ja Patrick Hagmann.
Jotkut tutkijat kutsuvat konnektomia yhteyksien kartaksi, joka ei koske koko organismia , vaan sen osia. Joten vuonna 2009 julkaistiin tutkimus aksoniliittimestä , joka hermottaa hiiren korvien välisiä lihaksia ( eng. interscutularis lihaskonnektomi ) [5] .
Kesällä 2009 Yhdysvaltain kansallinen terveysinstituutti käynnisti Human Connectome -projektin.jonka alkuperäinen rahoitus oli 30 miljoonaa dollaria [6] .
Vuonna 2005 tohtori Olaf Sporns Indianan yliopistosta ja tohtori Patrick Hagman Lausannen yliopiston sairaalasta loivat itsenäisesti ja samanaikaisesti termin "connectome" viittaamaan aivojen hermosolujen yhteyksien karttaan. Tämä nimi ehdotettiin, koska se on sopusoinnussa termin "genomi" kanssa.
"Connectomics" (Hagman, 2005) on määritelty tieteeksi, joka kerää ja analysoi yhteystietoa.
Sporns ja hänen tiiminsä kirjoittivat vuoden 2005 artikkelissaan "The Human Connectome, A Structural Description of the Human Brain":
Verkoston toiminnan ymmärtäminen edellyttää sen elementtien ja niiden välisten suhteiden tuntemista. Tämän artikkelin tarkoituksena on pohtia tutkimusstrategioita, joilla pyritään kattavasti luonnehtimaan verkkoelementtejä ja niiden yhteyksiä ihmisaivoissa. Ehdotamme kutsuvamme tätä tietojoukkoa ihmisen "yhteystietoksi" ja uskomme, että termiä käytetään kognitiivisessa neurotieteessä ja neuropsykologiassa. Connectome lisää suuresti ymmärrystämme matalan tason aivotoiminnasta ja antaa käsityksen siitä, kuinka aivojen toiminta muuttuu, jos sitä muutetaan alhaisella tasolla.
Vuonna 2005 tohtori Hagman kirjoitti artikkelissaan "From Diffusion Brain MRI to Connectomics":
On selvää, että aivan kuten genomi, joka on enemmän kuin vain joukko geenejä, aivojen kaikkien hermosolujen yhteyksien joukko on tärkeämpi kuin jokainen yksittäinen yhteys.
Medullaarisen valkoisen aineen läpi kulkevat reitit voidaan määrittää histologisen rappeumatutkimuksen ja aksonien jäljittämisen avulla . Aksonien jäljitys on ensisijainen perusta pitkien valkoisen aineen aivojen reittien kartoittamiseksi laajaksi harmaan aineen alueiden välisten yhteyksien matriisiksi . Ensimmäiset tällaiset tutkimukset suoritettiin makakin visuaalisessa aivokuoressa (Fellman ja Van Essen, 1991) ja talamo-kortikaalialueella kissan aivoissa (Skannel et ai., 1999). Tietokantojen luominen tällaisille anatomisten yhteyksien ryhmille antaa sinun päivittää niitä jatkuvasti ja lisätä niiden tarkkuutta. Silmiinpistävä esimerkki tällaisista tietokannoista on CoCoMac online-makakien aivokuoren yhteystietokanta (Köter, 2004).
Aivoyhteyksien verkostoja voidaan esittää eri mittakaavassa, mikä vastaa aivojen kuvantamisen spatiaalisen resoluution tasoja (Köter, 2007; Sporns, 2010). Nämä tasot voidaan karkeasti luokitella mikro-, meso- ja makromittakaavaan. Viime kädessä on mahdollista yhdistää eri tasoilla saadut tulokset yhdeksi hierarkkiseksi hermosolujen organisaatiokartalle, joka voi näyttää yksittäisen hermosolun neuronipopulaatiossa niin suuriin järjestelmiin kuin aivokuoren alueet. Koska eri yksilöillä on eroja yhteyksissä, mikä tahansa yhtenäinen kartta tarjoaa todennäköisesti todennäköisyystietoa hermosolujen liitettävyydestä (Sporns et al., 2005).
Konnekomin kartoitus mikrotasolla (mikrometriresoluutiolla) tarkoittaa täydellisen hermoverkkokartan rakentamista neuroni kerrallaan. Pelkästään aivokuoressa on noin 10 miljardia neuronia, joita yhdistää 10 14 synaptista yhteyttä. Vertailun vuoksi: emäsparien määrä ihmisen genomissa on 3× 109 .
Jotkut tärkeimmistä haasteista ihmisen yhteyden rakentamisessa mikrotasolla nykyään[ milloin? ] sisältää:
Tiedonkeruuongelmien ratkaisemiseksi useat tutkijaryhmät luovat suuritehoisia sarjaelektronimikroskooppeja (Katsuri ym. 2009; Bock ym. 2011). Lopuksi tilastollinen graafiteoria on uusi tieteenala, joka kehittää kehittyneitä kuviontunnistustekniikoita ja työkaluja näiden aivokaavioiden loogiseen käsittelyyn (Goldenberg et al. 2009).
"Meso"-yhteys vastaa satojen mikrometrien mittakaavaa. Sen sijaan, että yritettäisiin kartoittaa jokaista hermosolua, mesoskaalainen konnektori yrittää vangita anatomisesti ja toiminnallisesti erillisiä neuronipopulaatioita, jotka on yhdistetty satojen tai tuhansien yksittäisten hermosolujen paikallisiin piireihin (esim. aivopylväisiin). Mesoconnectomin luomistehtävä on edelleen kunnianhimoinen ja se voidaan ratkaista vain invasiivisilla menetelmillä.
Makrotason yhteys (millimetrin resoluutiolla) yrittää vangita suuria aivojärjestelmiä. Connectome-tietokannat mikro- ja meso-tasolla voivat olla paljon kompaktimpia kuin solutasolla.