Επιστήμονες δημιούργησαν έναν εγκεφαλικό «χάρτη» ενός ποντικιού, ενώ το μικρό τρωκτικό έβλεπε σκηνές από την ταινία «Matrix». Το διάγραμμα δείχνει καλωδιώσεις που συνδέεουν 84.000 νευρώνες που εκπέμπουν μηνύματα.
Χρησιμοποιώντας ένα κομμάτι του εγκεφάλου αυτού του ποντικιού, που έχει το μέγεθος ενός σπόρου παπαρούνας, οι ερευνητές αναγνώρισαν τους νευρώνες και εντόπισαν τον τρόπο με τον οποίο επικοινωνούσαν μέσω ινών, όπως αναφέρει το Associated Press.
Το τεράστιο σύνολο δεδομένων, που δημοσιεύθηκε την Τετάρτη από το περιοδικό Nature, αποτελεί ένα βήμα προς τη διαλεύκανση του μυστηρίου της λειτουργίας του ανθρωπίνου εγκεφάλου. Τα δεδομένα, που συγκεντρώθηκαν σε μια τρισδιάστατη σάρωση, είναι διαθέσιμα σε επιστήμονες σε όλο τον κόσμο για πρόσθετη έρευνα – και σε όσους θέλουν απλά να ρίξουν μια ματιά.
«Σίγουρα εμπνέει ένα αίσθημα δέους, όπως ακριβώς όταν κοιτάζεις εικόνες του γαλαξία», δήλωσε ο Forrest Collman του Ινστιτούτου Allen για την Επιστήμη του Εγκεφάλου στο Σιάτλ, ένας από τους κορυφαίους ερευνητές του προγράμματος.
«Αντιλαμβανόμαστε πόσο περίπλοκοι είμαστε. Κοιτάζουμε ένα μικροσκοπικό μέρος … του εγκεφάλου ενός ποντικιού και παρατηρούμε την ομορφιά και την πολυπλοκότητα σε αυτούς τους πραγματικούς νευρώνες και τις εκατοντάδες εκατομμύρια συνδέσεις μεταξύ τους».
Ο τρόπος με τον οποίο σκεφτόμαστε, αισθανόμαστε, βλέπουμε, μιλάμε και κινούμαστε οφείλεται στους νευρώνες, ή στα νευρικά κύτταρα του εγκεφάλου – πώς ενεργοποιούνται και στέλνουν μηνύματα ο ένας στον άλλο.
Οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και καιρό ότι αυτά τα σήματα κινούνται από έναν νευρώνα κατά μήκος ινών που ονομάζονται άξονες και δενδρίτες, χρησιμοποιώντας συνάψεις για να «μεταπηδήσουν» στον επόμενο νευρώνα. Αλλά λίγα είναι γνωστά για τα δίκτυα των νευρώνων που εκτελούν ορισμένες εργασίες και πώς οι διαταραχές αυτών των καλωδιώσεων θα μπορούσαν να παίξουν ρόλο στη νόσο Αλτσχάιμερ, τον αυτισμό ή άλλες διαταραχές.
«Μπορείς να κάνεις χίλιες υποθέσεις για το πώς λειτουργούν τα εγκεφαλικά κύτταρα, αλλά δεν μπορείς να ελέγξεις αυτές τις υποθέσεις αν δεν γνωρίζεις το πιο θεμελιώδες πράγμα – πώς αυτά τα κύτταρα συνδέονται μεταξύ τους», δήλωσε ο επιστήμονας του Ινστιτούτου Allen Clay Reid, ο οποίος βοήθησε στην πρωτοπορία της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας για τη μελέτη των νευρωνικών συνδέσεων.
Με το νέο πρόγραμμα, μια παγκόσμια ομάδα από περισσότερους από 150 ερευνητές χαρτογράφησε νευρικές συνδέσεις που ελίσσονται μέσα στο τμήμα του εγκεφάλου του ποντικού που είναι υπεύθυνο για την όραση.
Το πρώτο βήμα: Δείξτε σε ένα ποντίκι αποσπάσματα από ταινίες επιστημονικής φαντασίας, αθλητικά, κινούμενα σχέδια ή τη φύση.
Μια ομάδα στο Baylor College of Medicine έκανε ακριβώς αυτό, χρησιμοποιώντας ένα ποντίκι που έχει τροποποιηθεί με ένα γονίδιο που κάνει τους νευρώνες του να λάμπουν όταν είναι ενεργοί. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο που λειτουργεί με λέιζερ για να καταγράψουν τον τρόπο με τον οποίο τα μεμονωμένα κύτταρα στον οπτικό φλοιό του ζώου φωτίζονταν καθώς επεξεργάζονταν τις εικόνες που έβλεπε.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες του Ινστιτούτου Allen ανέλυσαν αυτό το μικρό κομμάτι εγκεφαλικού ιστού, χρησιμοποιώντας ένα ειδικό εργαλείο για να το χωρίσουν σε περισσότερα από 25.000 στρώματα, το καθένα πολύ λεπτότερο από μια ανθρώπινη τρίχα. Με ηλεκτρονικά μικροσκόπια, έλαβαν σχεδόν 100 εκατομμύρια εικόνες υψηλής ανάλυσης αυτών των τμημάτων, φωτίζοντας αυτές τις ίνες και συναρμολογώντας τες σε τρισδιάστατη μορφή.
Τέλος, οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου Princeton χρησιμοποίησαν τεχνητή νοημοσύνη για να εντοπίσουν όλες αυτές τις καλωδιώσεις και «να βάψουν κάθε ένα από τα επιμέρους καλώδια με διαφορετικό χρώμα, ώστε να μπορέσουν να τα αναγνωρίσουν ξεχωριστά», εξήγησε ο Collman.
Υπολόγισαν ότι η μικροσκοπική καλωδίωση, αν απλωνόταν, θα είχε μήκος μεγαλύτερο από 5 χιλιόμετρα. Το σημαντικό είναι ότι η αντιστοίχιση όλης αυτής της ανατομίας με τη δραστηριότητα στον εγκέφαλο του ποντικιού καθώς παρακολουθούσε ταινίες επέτρεψε στους ερευνητές να εντοπίσουν τον τρόπο λειτουργίας του κυκλώματος.
Οι ερευνητές του Πρίνστον δημιούργησαν επίσης ψηφιακά τρισδιάστατα αντίγραφα των δεδομένων που μπορούν να χρησιμοποιήσουν άλλοι επιστήμονες για την ανάπτυξη νέων μελετών.
Οι ερευνητές το αποκαλούν ένα θεμελιώδες βήμα, όπως το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος που παρείχε την πρώτη χαρτογράφηση γονιδίων. Η χαρτογράφηση ενός πλήρους εγκεφάλου ποντικού είναι ένας επόμενος στόχος.
«Οι τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν από αυτό το πρόγραμμα θα μας δώσουν την πρώτη μας ευκαιρία να εντοπίσουμε πραγματικά κάποιο είδος ανώμαλου μοτίβου συνδεσιμότητας που προκαλεί μια διαταραχή», δήλωσε ένας άλλος από τους κορυφαίους ερευνητές του προγράμματος, ο νευροεπιστήμονας και επιστήμονας υπολογιστών του Πρίνστον, Σεμπάστιαν Σουνγκ.
Το έργο «σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός και προσφέρει μια ανεκτίμητη πηγή για μελλοντικές ανακαλύψεις», έγραψαν οι νευροεπιστήμονες του Χάρβαρντ, Mariela Petkova και Gregor Schuhknecht, οι οποίοι δεν συμμετείχαν στο έργο.
Τα τεράστια και δημόσια διαμοιραζόμενα δεδομένα «θα βοηθήσουν στην αποκάλυψη των πολύπλοκων νευρωνικών δικτύων που διέπουν τη νόηση και τη συμπεριφορά», πρόσθεσαν.
