Cartografierea unei mici părți din creierul unui șoarece

Cartografierea unei mici părți din creierul unui șoarece, de doar un milimetru cub din cortexul cerebral, a fost suficientă pentru a porni pe un drum nou, neexplorat până acum, spre înțelegerea minții umane. Un consorțiu internațional a reușit să cartografieze, cu un nivel de detaliu fără precedent, întreaga rețea neuronală și modul în care celulele creierului sunt activate în acea mică bucată de organ la un mamifer.

Informațiile colectate, care reprezintă cea mai mare cartografiere a creierului de până acum, vor ajuta la dezlegarea rețelelor neuronale complexe care stau la baza cogniției și comportamentului. Cercetarea poartă semnătura proiectului MICrONS (Inteligența Artificială din Rețelele Corticale), considerat cel mai complex experiment de neuroștiință încercat vreodată. Primele descoperiri au fost publicate miercuri în revista Nature.

Bucata de creier analizată nu este mai mare decât un bob de nisip, dar conține aproximativ 200.000 de celule, 500 de milioane de sinapse - conexiunile dintre neuroni - și peste patru kilometri de cablaj neuronal. „În interiorul acestei particule minuscule se află o întreagă arhitectură, ca o pădure magnifică. Conține tot felul de reguli de conectare pe care le cunoșteam din diverse domenii ale neuroștiinței și, în cadrul propriei reconstrucții, putem testa teoriile vechi și sperăm să găsim lucruri noi pe care nimeni nu le-a văzut până acum”, avansează într-un comunicat Clay Reid, neuroștiințific la Institutul Allen pentru Știința Creierului din Seattle (Statele Unite) și cercetător principal al acestui proiect.

Mai multe informații

Prima hartă a creierului, a unei larve de muscă, aduce mai aproape visul de a înțelege mintea umană. Fiecare idee, fiecare amintire, fiecare acțiune pe care o faci în fiecare zi își are originea în activitatea neuronilor din creier. În acel centru de operațiuni complicat și enigmatic care păstrează esența umană.

Înțelegerea modului în care funcționează, cum operează și cum se raportează toate aceste rețele neuronale, cum se potrivește funcția fiecăreia dintre ele în acea arhitectură cerebrală, este una dintre cele mai mari provocări cu care se confruntă comunitatea științifică.

„Inteligența și mintea noastră sunt expresii ale structurii fizice a creierului nostru. Înțelegând această structură, putem delimita și modela mai bine ipotezele despre modul în care inteligența este implementată în creierul nostru”, reflectă, într-un răspuns prin e-mail, Nuno da Costa, om de știință la Institutul Allen și coautor al acestei cercetări.

Cartografierea creierului la animale

A fost cartografiată cu succes cablajul cerebral și în alte modele animale mai simple, cum ar fi larva de muscă de fructe (puțin peste 3.000 de neuroni și aproape 550.000 de sinapse) sau creierul adult al acestui animal (140.000 de neuroni și 50 de milioane de sinapse).

Dar examinarea, cu un astfel de nivel de detaliu, a acelei mici părți din creierul șoarecelui (care reprezintă o fracțiune și mai mică din creierul uman) transcende, potrivit oamenilor de știință, toate limitele tehnologice cunoscute ale domeniului conectomicii, care este disciplina care cartografiază și descrie conexiunile neuronale.

Dacă este cazul, singurul lucru comparabil, își amintesc într-un comentariu atașat doi cercetători de la Universitatea Harvard, este ceea ce s-a realizat anul trecut prin cartografierea unui milimetru cub din creierul unui pacient cu epilepsie: au fost acolo 57.000 de celule și 150 de milioane de sinapse.

„Împreună, aceste două proiecte [cartografierea unei bucăți de creier de șoarece și a pacientului cu epilepsie] definesc frontiera tehnologică actuală a conectomicii mamiferelor la scară largă”, contextualizează.

Costa spune că, atunci când au început cercetarea, obținerea de imagini ale unui milimetru cub de țesut cerebral cu acest nivel de detaliu „depășea cu mult” ceea ce se realizase până acum. Experimentul a fost, spune el, „extrem de ambițios”. „Scara și rezoluția acestui set de date depășesc cu mult neuronii. Include toate vasele de sânge, celulele non-neuronale, cum ar fi glia, și chiar organitele din interiorul celulelor individuale”, adaugă el.

Și dă un exemplu vizual a ceea ce s-a realizat prin profilarea tuturor acestor rețele neuronale în bucata de creier de șoarece: „Imaginați-vă un fel de Google Maps pentru creier: nu numai că va arăta principalele autostrăzi, ci și fiecare stradă, fiecare casă, fiecare cameră din fiecare casă și chiar fiecare ușă și fereastră. La fel cum oamenii folosesc Google Maps pentru a determina cea mai bună rută de la punctul A la punctul B sau chiar pentru a verifica dacă există o rută, acest tip de hartă detaliată a creierului permite oamenilor de știință să vadă dacă doi neuroni sunt conectați și exact unde au loc aceste conexiuni”.

Regiunea care ne face umani

Volumul studiat este foarte departe de dimensiunile și complexitatea unui creier uman, dar datele pe care le oferă această cartografiere sunt mai extrapolabile decât ar putea părea. Alegerea de a analiza o regiune specifică, cum ar fi cortexul cerebral, de exemplu, nu este trivială, explică da Costa: „Această regiune cerebrală este posibil cea mai importantă structură care ne definește ca oameni, în mare parte datorită extinderii sale semnificative în creierul nostru. Studiind modul în care cortexul cerebral funcționează în creierul șoarecelui, putem genera idei și ipoteze mai bune despre modul în care funcționează propriul nostru creier”.

În comentariul atașat, cei doi cercetători de la Harvard se adâncesc în acest sens: acea regiune cerebrală este considerată „sediul cogniției superioare”, un teritoriu cheie pentru percepția senzorială, procesarea limbajului sau luarea deciziilor. Sunt funcții aparent foarte diferite, dar posibile datorită unui fel de model care se găsește, cu unele modificări, în toate zonele corticale și la toți mamiferele: „Acest lucru face ca studiul cortexului să fie, într-un fel, similar cu înțelegerea principiilor unui motor cu combustie observând multe mașini: există diferite modele de motor, dar se aplică aceeași mecanică fundamentală. Pentru a înțelege motorul, este util nu numai să aveți o descriere a tuturor părților sale, ci și să înțelegeți modul în care acestea funcționează împreună”, exemplifică oamenii de știință de la Harvard.

Proiectul a fost o mare muncă de echipă. În primul rând, oamenii de știință de la Facultatea de Medicină Baylor (Texas) au folosit microscoape specializate pentru a înregistra activitatea cerebrală a acelui milimetru cub de cortex vizual al unui șoarece în timp ce animalul se uita la diverse filme și videoclipuri de pe YouTube.

Apoi, cercetătorii de la Institutul Allen au luat aceeași porțiune de creier și au împărțit-o în peste 24.000 de straturi, fiecare fiind de peste o mie de ori mai subțire decât un fir de păr, și au folosit microscoape electronice pentru a face imagini de înaltă rezoluție ale fiecărei secțiuni.

În cele din urmă, un alt grup de la Universitatea Princeton a folosit inteligența artificială pentru a reconstrui fiecare celulă și toate conexiunile într-o imagine virtuală până la generarea acestei diagrame de cablare și a hărții funcționale a creierului, cea mai mare de până acum.

Peste 150 de neuroștiințifici au lucrat la acest proiect. Munca a fost titanică. „Tăierea celor peste 20.000 de secțiuni necesare pentru setul de date a durat 12 zile și nopți la rând, echipa noastră lucrând în schimburi pentru a se asigura că nicio secțiune consecutivă nu se pierde”, exemplifică da Costa.

A fost colectată o cantitate imensă de informații, 1,6 petabytes de date, ceea ce echivalează cu vizionarea unui videoclip HD continuu timp de 22 de ani.

Un pas uriaș

Primele studii au dezvăluit noi tipuri de celule și principii organizaționale și funcționale inovatoare, explică Institutul Allen. De remarcat, de exemplu, descoperirea unui nou principiu de inhibare în creier. Astfel, deși se credea că celulele inhibitoare (cele care suprimă activitatea neuronală) doar amortizau acțiunea altor celule, cercetătorii proiectului MICrONS au descoperit că nivelul de comunicare este, de fapt, mult mai sofisticat: celulele inhibitoare nu acționează aleatoriu, ci sunt foarte selective în ceea ce privește celulele excitatorii pe care le vizează și cooperează în rețea (unele lucrează împreună pentru a suprima multe celule excitatorii, altele sunt mai precise și vizează un singur tip...).

Și aceste descoperiri sunt doar începutul. Așteptările cu toate cunoștințele pe care le deține această mare cercetare sunt foarte mari. Pentru a avansa în înțelegerea gândirii și conștiinței, dar și pentru a face pași înainte în studiul și abordarea numeroaselor boli, subliniază Da Costa: „Bolile creierului sunt, în cele din urmă, rezultatul modificărilor structurii creierului, astfel încât înțelegerea acestei structuri este fundamentală pe termen lung. Pe termen mediu și lung, cartografierea detaliată a conexiunilor celulare inhibitoare, combinată cu descrierile genetice ale acestor tipuri de celule, ar putea fi crucială dacă se descoperă că unele dintre aceste celule sunt implicate într-o anumită boală. Această cunoaștere ar putea, de exemplu, să sprijine dezvoltarea de medicamente care vizează subseturi specifice ale rețelei neuronale sau să ajute la explicarea modului în care funcționează medicamentele existente prin identificarea tipurilor de celule pe care le afectează”.

Pentru Rafael Yuste, profesor de științe biologice și director al Centrului de NeuroTehnologie de la Universitatea Columbia (New York) și promotor al Inițiativei BRAIN, această cercetare, la care nu a participat, este „o forță cu o mulțime de rezultate, ca și cum ai pune o cărămidă din multe într-o clădire uriașă pentru a înțelege creierul”. „Este convenabil să ne amintim că, cu mai bine de un an în urmă, a fost publicată o altă serie de articole impresionante, cartografiind tipurile de celule ale creierului, care sunt neuronii care generează toate aceste conexiuni. Acesta este un altul dintre cele mai impresionante rezultate care a apărut din proiectul BRAIN al Statelor Unite [cercetarea actuală este, de asemenea, susținută de Inițiativa BRAIN]. Acum, marea provocare este de a reuni aceste două trunchiuri de știință nouă; cu alte cuvinte, de a înțelege ce conexiuni apar din ce tip de neuroni”, subliniază omul de știință în declarații către portalul Science Media Center (SMC) Spania.

La rândul său, Juan Lerma, profesor de cercetare la Institutul de Neuroștiințe CSIC-UMH, consideră că această lucrare „pune multe dintre bazele mai multor principii de organizare funcțională care, deși asumate, nu au fost demonstrate și reprezentau lacune în cunoașterea sistemului nervos”. „Aceste descoperiri sunt un pas uriaș, așteptat de mult timp și care nu este decât vârful aisbergului a ceea ce va veni în înțelegerea funcționării creierului”, subliniază și el la SMC.