thumb|Fehérállományrostok lefutása emberi agyban, MRI traktográfiás ábrázolással.
A konnektom (néha hibásan *konnektómaAz -om végződés az angol -ome utótag lefordítása, a molekuláris biológiában valaminek a teljességére utal. Az -óma végződés például sejtszervecskéknél fordul elő (-szóma).) az agy idegsejtjei (neuronjai) között létrejövő kapcsolatok (szinaptikus kapcsolódások) térképe, egyfajta kapcsolási rajzként is felfogható. Tágabb értelemben egy élőlény konnektomja annak idegrendszerének valamennyi neurális kapcsolatát tartalmazó térképpel egyezne meg.
thumb|20 vizsgálati alany csoportos konnektomjának ábrázolása. Az emberi agy fehérállományát alkotó anatómiai rostok ábrázolása irány szerinti színkódolással történt (xyz-irányok rgb-színskálához rendelésével). A vizualizációt a TrackVis szoftverrel végezték.
A konnektomok előállításával és vizsgálatával a konnektomika tudománya foglalkozik. A részletesség legmagasabb szintjén ez jelentheti egy élőlény idegrendszere valamennyi neuronjának és szinapszisának részletes térképét (vagy egy részük részletes térképét), de jelentheti az agykérgi és agykéreg alatti (szubkortikális) struktúrák makroszintű leírását is.
A „konnektom” kifejezés főként az agy idegsejtjei közötti kölcsönhatások szerveződésének megértését, feltárását, feltérképezését célzó tudományos erőfeszítések kontextusában használatos.
Eddig egyetlen állati szervezet teljes konnektomját sikerült megalkotni: a C. elegans fonálféregét (White et al., 1986, Varshney et al., 2011 ). Egy egér retinájának és elsődleges látókérgének részleges konnektomját is sikerült megkonstruálni. Bock et al. teljes, 12 terabájtos adattömege nyilvánosan hozzáférhető az Open Connectome Project honlapján.
A konnektomika végső célja az emberi agy feltérképezése. Ezt a feladatot az amerikai Nemzeti Egészségügyi Intézet finanszírozásában a Human Connectome Project (emberi konnektom projekt) vállalta magára, az egészséges, élő emberi agy térképének előállítására fókuszálva.
A „konnektom” kifejezés etimológiája 2005-ben kb. egyidőben és egymástól függetlenül Dr. Olaf Sporns (Indiana University) és Dr. Patric Hagmann (Lausanne University Hospital) javasolta a „connectome” kifejezést az agy idegi összeköttetéseiről készült térkép elnevezésére. A terminust a genetikai kódnál használatos genom kifejezés ihlette (és talán más -om-ok).
A „connectomics” (Hagmann, 2005) – konnektomika – definíciója szerint a konnektom-adathalmazok összeállításával és analizálásával foglalkozó tudományág.
2005-ös cikkükben – The Human Connectome, a structural description of the human brain – Sporns et al. így írnak:
Egy hálózat működésének megértéséhez szükséges ismerni annak elemeit és a köztük lévő kapcsolatokat. Ezen cikk célja az emberi agy alkotóelemeinek és a közöttük lévő kapcsolatoknak az átfogó strukturális leírásához vezető kutatási stratégiák megvitatása. Javasoljuk ezt az adathalmazt „konnektom”-nak nevezni, mely véleményünk szerint alapvető fontosságú a kognitív idegtudományok és a neuropszichológia számára. A konnektom jelentősen hozzájárul majd annak megértéséhez, hogy mi módon jelennek meg funkcionális agyi állapotok az alattuk lévő strukturális szubsztrátból, és új, mechanisztikus betekintést fog nyújtani abba, hogy ezen strukturális szubsztrát sérülésekor az agyfunkciók hogyan változnak meg.
2005-ös PhD dolgozatában (From diffusion MRI to brain connectomics) Hagmann ezt írta:
Nyilvánvaló, hogy a genomhoz hasonlóan, ami jóval több mint egy halom egymás mellé helyezett gén, az agy idegi összeköttetéseinek halmaza is jóval több az egyes komponensek összegénél. A genom önmaga egy entitás, mivel a gének finom összjátékából emelkedik ki az [élet]. Hasonló módon kezelhetjük az agy konnektomját, az idegi összeköttetések összességét, egyetlen entitásként, aláhúzva ezzel, hogy az agy óriási számítási teljesítményét és kommunikációs kapacitását mennyire ez a finom, hihetetlenül komplex összeköttetési architektúra határozza meg.
Az agy fehérállományán keresztül vezető összeköttetések felvázolásának útjai közé tartozik a szövettani boncolás és megfestés, a degenerációs módszerek és az axonok nyomon követése (axonal tracing). Ez utóbbi módszer adja a fő alapját a nagy távolságú idegi útvonalak szisztematikus, fajspecifikus szürkeállomány-régió szerinti összeköttetési mátrixainak a megalkotásának. A témában mérföldkő jellegű kutatásnak tekinthető a makákók látókérge (Felleman and Van Essen, 1991) és a macskaagy talamokortikális rendszere (Scannell et al., 1999) területének és összeköttetéseinek meghatározása. Az anatómiai összeköttetések neuroinformatikai adatbázisainak kifejlesztése lehetővé tette az ilyen összeköttetési térképek folyamatos napra készen tartását és finomítását. Az online makákó-agykéreg összeköttetési segédeszköz, a CoCoMac (Kötter, 2004) a hasonló adatbázisok prominens példája.
Az emberi agy konnektomának jelentősége abból a felismerésből fakad, hogy az agy struktúrája és funkciói bonyolult, több szintű módokon függenek össze. Erős természetes korlátok befolyásolják, hogy mely neuronok vagy neuronpopulációk képesek egymással kölcsönhatásba lépni, és a kölcsönhatás mértéke mennyire erős vagy közvetlen. Valóban, az emberi megismerés alapjai a konnektom által formált dinamikus interakciók mintázatában rejlenek.
Mindazonáltal a struktúra és a funkció közötti kapcsolatok nagy valószínűséggel nem redukálhatók egyszerű, 1:1 összerendelésekre. Valójában, a konnektom nyilvánvalóan nagy számú változékony, dinamikus állapotot támogat, az aktuális érzékszervi bemenetektől, az agy globális állapotától, a tanulástól és fejlődéstől függően. A funkcionális állapot egyes változásai a strukturális összeköttetések gyors, szinapszis-szintű változásaival járhatnak, ahogy azt a kétfoton-mikroszkópiás kísérletekben a dendritikus tüskék gyors megjelenése és felszívódása világossá tette (Bonhoeffer and Yuste, 2002).
A struktúra-funkció megfeleltetések komplex és változékony volta ellenére a konnektom a dinamikus agyi adatok mechanisztikus értelmezésének kikerülhetetlen eszköze, az egysejtes felvételektől a funkcionális idegi képalkotásig.
A „connectome” kifejezés Sebastian Seung I am my Connectome című 2010-es TED előadása révén került a köztudatba. A beszéd az emberi konnektom feltérképezésének magas szintű céljait, valamint az emberi agyszövet mikroskálájú, háromdimenziós térképének elkészítését célzó erőfeszítéseit tárgyalja. In 2012, Seung published the book Connectome: How the Brain's Wiring Makes Us Who We Are.
A konnektom különböző szintjei Az agyi ideghálózatok meghatározása különböző méretarányokban történhet, az agyi képalkotó eljárások térbeli felbontásának megfelelően (Kötter, 2007, Sporns, 2010). Ezek a szintek nagyjából megfeleltethetők a mikroskála, mezoskála és makroskála felbontásainak. Legvégül talán majd képesek leszünk arra, hogy egy fajról készült különböző méretarányú konnektomikai térképeket a neuronok szerveződésének egyetlen hierarchikus térképévé egyesítsük, amely az egyes idegsejtektől a nagyobb rendszerekig terjed, mint amilyenek az egyes agykérgi régiók. Tekintve, hogy az elsődleges kísérleti adatokból az összeköttetések kinyerése is módszertani bizonytalanságokkal terhelt, valamint figyelembe véve a faj egyedeinek konnektomjai közötti jelentős különbségeket, az említett egyesített térkép valószínűleg az összeköttetési adatok valószínűségi reprezentációit fogja alkalmazni (Sporns et al., 2005).
A konnektom feltérképezése „mikroskála” (mikrométeres felbontású) szinten az idegrendszer teljes, neuronról neuronra végigmenő térképének elkészítését jelenti. Ez nyilvánvaló kihívásokat támaszt: a fejlett élőlények agyát alkotó neuronok száma könnyen a milliárdos nagyságrendbe eshet. Csak az emberi agykéreg nagyságrendileg 1010 neuront tartalmaz, amit mintegy 1014 szinapszis köt össze. Összehasonlításképp, az emberi genom bázispárjainak száma 3×109. Néhány akadály, mellyel a mikroskálájú emberi konnektom készítőinek jelenleg szembe kell néznie: (1) a jelenlegi technológiával az adatgyűjtés éveket venne igénybe; (2) a gépi látás-alapú eszközök, melyek az adatokat felcímkéznék, jelenleg gyerekcipőben járnak és alkalmatlanok a feladatra; (3) sem elméleti, sem algoritmikus megoldások nincsenek még az eredményül kapott „agy-gráfok” analizálására. Az adatgyűjtés problémájának megoldására több kutatócsoport dolgozik nagy átbocsátóképességű soros elektronmikroszkópok létrehozásán (Kasthuri et al., 2009; Bock et al. 2011). A gépi látás és képfeldolgozás problémáit az Open Connectome Project „alg-sourcing”-gal (algoritmus-otsourcing) kezelné. Végül a statisztikus gráfelmélet feljövőben lévő területe kifinomult mintafelismerő és következtető eszközökkel tervezi értelmezni az eredményül kapott agygráfokat (Goldenberg et al., 2009).
A konnektom „mezoskála” szintű feltérképezése néhány száz mikrométeres felbontásnak felel meg. Az egyes neuronok helyett anatómiailag és/vagy funkcionálisan elkülönülő neuronpopulációkat próbálna leírni, melyek néhány száz vagy ezer neuront összekötő helyi „áramkörökké” (pl. agykérgi oszlopok) állnak össze. Ez a felbontás még mindig komoly próbatétel elé állítja a jelenlegi technológiákat, és csak kis méretben, invazív módszerekkel vagy nagyon erős mágnest alkalmazó (high-field) MRI-vel érhető el.
A konnektom feltérképezése „makroskála” (milliméteres felbontású) szinten az agy nagyobb, anatómiailag elkülönülő moduljainak (területek, „parcellák” és csomópontok) leírása, melyek mindegyike a konnektivitás különböző mintázatát mutatja. A mezo- és makroskálájú konnektomikai adatbázisok jóval kompaktabbak a sejtfelbontásúaknál, de hatékony stratégiákat követelnek meg az agy térfogatának pontos anatómiai vagy funkcionális felosztására (a feladat komplexitásához lásd pl. Wallace et al., 2004).
A konnektom sejtszintű feltérképezése A jelenlegi nem invazív képalkotási módszerek nem képesek az agy aktivitását neuronról neuronra végigkövetni. A gerinces élőlények konnektomának sejtszintű feltérképezése jelenleg az agyszövet kisebb részeinek post mortem mikroszkópos vizsgálatát követeli meg. Anthony Zador és munkatársai 2012-ben olyan nem optikai megoldást javasoltak, ami a nagy áteresztőképességű DNS-szekvenáláson alapulna.
Hagyományosan a szövettani alapú feltérképezési megközelítések: fénymikroszkópia és a sejtek megfestése, jelölő ágensek befecskendezése a rostok lefutásának végigkövetésére, sorozatmetszetekből szövetblokkok rekonstruálása elektronmikroszkópia segítségével. Ezek a hagyományos megközelítések nem mindenben felelnek meg a konnektomika által támasztott követelményeknek. Az egyes sejtek megfestése, például Golgi-festéssel a fénymikroszkóp korlátozott felbontása mellett a távolabbi összeköttetések feltárására is alkalmatlan. A rostok lefutásának végigkövetése (tract tracing), amit a neuroanatómia aranystandardjának tartanak az agyban lévő távoli összeköttetések detektálásában, általában csak meglehetősen nagy sejtpopulációk egyetlen axonnal történő összeköttetéseket enged meg. Az elektronmikroszkópos rekonstrukciót sikerrel alkalmazták a C. elegans konnektomjánál (White et al., 1986). Nagyobb szervezetek teljes idegrendszerét alkotó nagyobb szövetblokkok esetében azonban problémák lépnek fel a nagyobb távolságot átfogó projekcióknál.
Történt néhány előrelépés a klasszikus technikák korlátainak áthidalására és a sejtszintű konnektom-adathalmazok megalkotásában. (Livet et al., 2007; Lichtman et al., 2008). A Brainbow módszer azon alapszik, hogy több fluoreszcens fehérje véletlenszerű kifejezésével Lichtman és kollégái képesek voltak az egyes neuronokat 100-nál több szín valamelyikére festeni. Az egyes neuronok megkülönböztető színnel való megfestése lehetővé teszi egy szövetblokkon belül a neuronok sejtes struktúrájának és hosszabb lefutásainak végigkövetését is.