Πώς ένα ποντίκι που είδε το «The Matrix» άλλαξε όσα γνωρίζουμε για τους εγκεφάλους μας

Οι επιστήμονες κατασκεύασαν τον πιο εκτεταμένο λειτουργικό χάρτη του εγκεφάλου μέχρι σήμερα, καταγράφοντας τις συνδέσεις 84.000 νευρώνων καθώς μεταδίδουν σήματα, χάρη σε ένα ποντίκι στο οποίο έδειξαν αποσπάσματα από την ταινία «The Matrix».

Οι ερευνητές εξέτασαν ένα κομμάτι του εγκεφάλου του ποντικιού, περίπου στο μέγεθος ενός σπόρου παπαρούνας, εντοπίζοντας τους νευρώνες και παρακολουθώντας τα μονοπάτια επικοινωνίας τους μέσω διακλαδώμενων ινών σε 500 εκατομμύρια συνδέσεις, τις λεγόμενες συνάψεις.

Η σχετική μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, μας φέρνει πιο κοντά στην κατανόηση της πολυπλοκότητας της λειτουργίας του εγκεφάλου. Τα δεδομένα παρουσιάζονται σε μια τρισδιάστατη αναπαράσταση με χρωματικά κωδικοποιημένα κυκλώματα του εγκεφάλου και είναι προσβάσιμα σε επιστήμονες παγκοσμίως για περαιτέρω έρευνα, καθώς και σε όσους έχουν γενικότερο ενδιαφέρον.

«Σίγουρα δημιουργεί ένα αίσθημα δέους, όπως ακριβώς όταν κοιτάμε εικόνες των γαλαξιών», δήλωσε ο Φόρεστ Κόλμαν του Ινστιτούτου Άλεν για την Επιστήμη του Εγκεφάλου στο Σιάτλ, ένας από τους κορυφαίους ερευνητές του προγράμματος.

«Παίρνεις μια αίσθηση του πόσο πολύπλοκος είσαι. Κοιτάζουμε ένα μικροσκοπικό μέρος του εγκεφάλου ενός ποντικιού και την ομορφιά και την πολυπλοκότητα που μπορείς να δεις 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 του εγκεφάλου μας – στο 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 νευράξονες και δενδρίτες, χρησιμοποιώντας συνάψεις για να μεταπηδήσουν στον επόμενο νευρώνα. Αλλά είναι λιγότερο γνωστά τα δίκτυα των νευρώνων που εκτελούν ορισμένες εργασίες και πώς οι διαταραχές αυτής της «καλωδίωσης» θα μπορούσαν να παίξουν ρόλο στη νόσο Αλτσχάιμερ, στον αυτισμό ή σε άλλες διαταραχές, αναφέρει ο Independent.

Η χαρτογράφηση βήμα προς βήμα

Για τη νέα μελέτη, μια διεθνής ομάδα από περισσότερους από 150 ερευνητές χαρτογράφησε νευρικές συνδέσεις στο τμήμα του εγκεφάλου του ποντικιού που είναι υπεύθυνο για την όραση.

Το πρώτο βήμα ήταν να δείξουν σε ένα ποντίκι αποσπάσματα βίντεο από ταινίες επιστημονικής φαντασίας, αθλητικά, κινούμενα σχέδια και από τη φύση. Χρησιμοποίησαν ένα ποντίκι το οποίο είχε τροποποιηθεί με ένα γονίδιο που έκανε τους νευρώνες του να λάμπουν όταν είναι ενεργοί. Στη συνέχεια, με ένα μικροσκόπιο που λειτουργεί με λέιζερ, κατέγραψαν τον τρόπο με τον οποίο μεμονωμένα κύτταρα στον οπτικό φλοιό του ζώου φωτίζονταν καθώς επεξεργάζονταν τις εικόνες που περνούσαν.

Το επόμενο βήμα ήταν η ανάλυση αυτού του μικρού κομματιού 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, πήραν σχεδόν 100 εκατομμύρια εικόνες υψηλής ανάλυσης αυτών των τμημάτων, φωτίζοντας αυτές τις ίνες που μοιάζουν με μπερδεμένα σπαγγέτι και συναρμολογώντας τα δεδομένα σε τρισδιάστατη μορφή.

Τέλος, χρησιμοποίησαν τεχνητή νοημοσύνη για να ανιχνεύσουν όλη αυτή την καλωδίωση και να βάψουν κάθε ένα από τα επιμέρους «καλώδια» με διαφορετικό χρώμα, ώστε να μπορούν να τα αναγνωρίζουν ξεχωριστά.

Υπολόγισαν ότι αυτή η μικροσκοπική καλωδίωση, αν απλωνόταν, θα είχε μήκος μεγαλύτερο από 5 χιλιόμετρα.

Το σημαντικό ήταν ότι η αντιστοίχιση όλων των παραπάνω με τη δραστηριότητα στον εγκέφαλο του ποντικιού καθώς παρακολουθούσε ταινίες επέτρεψε στους ερευνητές να εντοπίσουν τον τρόπο λειτουργίας του κυκλώματος.

Θεραπείες για τις ασθένειες του εγκεφάλου

Θα μπορούσε αυτού του είδους η χαρτογράφηση να βοηθήσει τους επιστήμονες να βρουν τελικά θεραπείες για τις ασθένειες του εγκεφάλου; Οι ερευνητές το αποκαλούν ένα θεμελιώδες βήμα, όπως έγινε με το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος που παρείχε την πρώτη χαρτογράφηση γονιδίων και οδήγησε τελικά σε θεραπείες με βάση τα γονίδια. Η χαρτογράφηση ενός πλήρους εγκεφάλου ποντικιού είναι ένας επόμενος στόχος.

«Οι τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν από αυτό το έργο 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 έργου, ο νευροεπιστήμονας και επιστήμονας υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πρίνστον Σεμπάστιαν Σουνγκ.