Ολοκληρώνεται το διάγραμμα «καλωδίωσης» και λειτουργικού χάρτη του εγκεφάλου

Το 1979, ο διάσημος μοριακός βιολόγος, Francis Crick, δήλωσε ότι θα ήταν «αδύνατο να δημιουργηθεί ένα ακριβές διάγραμμα «καλωδίωσης» για 1 κυβικό χιλιοστό εγκεφαλικού ιστού και τον τρόπο με τον οποίο πυροδοτούνται όλοι οι νευρώνες του». Όμως, τα τελευταία 7 χρόνια, μια παγκόσμια ομάδα περισσότερων από 150 νευροεπιστημόνων και ερευνητών το έκανε σχεδόν πραγματικότητα. Το πρόγραμμα Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS) έχει δημιουργήσει το πιο λεπτομερές διάγραμμα «καλωδίωσης» ενός εγκεφάλου θηλαστικού μέχρι σήμερα. Σήμερα, οι επιστήμονες δημοσίευσαν τα επιστημονικά ευρήματα αυτόν τον τεράστιο πόρο δεδομένων σε μια συλλογή 10 μελετών στο Nature. 

Το διάγραμμα «καλωδίωσης» και τα δεδομένα του, ελεύθερα διαθέσιμα μέσω του MIcrONS Explorer, έχουν μέγεθος 1,6 petabyte και προσφέρουν ασυνήθιστη εικόνα για τη λειτουργία του εγκεφάλου και την οργάνωση του οπτικού συστήματος.

«Η επένδυση του IARPA στο πρόγραμμα MIcrONS κατέρριψε τους προηγούμενους τεχνολογικούς περιορισμούς, δημιουργώντας την 1η πλατφόρμα για τη μελέτη της σχέσης μεταξύ νευρωνικής δομής και λειτουργίας σε κλίμακες που είναι απαραίτητες για την κατανόηση της νοημοσύνης. Αυτό το επίτευγμα επικυρώνει την εστιασμένη ερευνητική μας προσέγγιση και θέτει τις βάσεις για μελλοντική κλιμάκωση σε ολόκληρο το επίπεδο του εγκεφάλου».

Οι επιστήμονες στο Baylor College of Medicine ξεκίνησαν χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα μικροσκόπια για να καταγράφουν την εγκεφαλική δραστηριότητα από ένα τμήμα 1 κυβικού χιλιοστού του οπτικού φλοιού ενός ποντικιού καθώς το ζώο παρακολουθούσε διάφορες ταινίες και κλιπ.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές του Ινστιτούτου Άλεν πήραν το ίδιο κυβικό χιλιοστό του εγκεφάλου και τον έκοψαν σε περισσότερα από 25.000 στρώματα, 1/400 του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας το καθένα, και χρησιμοποίησαν μια σειρά ηλεκτρονικών μικροσκοπίων για να τραβήξουν φωτογραφίες υψηλής ανάλυσης κάθε στρώματος.

Τέλος, μια άλλη ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον χρησιμοποίησε τεχνητή νοημοσύνη και μηχανική μάθηση για να ανακατασκευάσει τα κύτταρα και τις συνδέσεις σε 1 τρισδιάστατο τόμο. Σε συνδυασμό με τις καταγραφές της εγκεφαλικής δραστηριότητας, το αποτέλεσμα είναι το μεγαλύτερο διάγραμμα «καλωδίωσης» και λειτουργικός χάρτης του εγκεφάλου μέχρι σήμερα, που περιέχει περισσότερα από 200.000 κύτταρα, 4 χιλιόμετρα άξονες (οι κλάδοι που φτάνουν σε άλλα κύτταρα) και 523 εκατομμύρια συνάψεις (τα σημεία σύνδεσης μεταξύ των κυττάρων).

Τα ευρήματα από τις μελέτες αποκαλύπτουν νέους τύπους κυττάρων, χαρακτηριστικά, οργανωτικές και λειτουργικές αρχές και ένα νέο τρόπο ταξινόμησης κυττάρων. Ανάμεσα στα πιο εκπληκτικά ευρήματα ήταν η ανακάλυψη μιας νέας αρχής αναστολής στον εγκέφαλο. Οι επιστήμονες θεωρούσαν προηγουμένως τα ανασταλτικά κύτταρα - αυτά που καταστέλλουν τη νευρική δραστηριότητα - ως μια απλή δύναμη που μειώνει τη δράση άλλων κυττάρων. Ωστόσο, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα πολύ πιο εξελιγμένο επίπεδο επικοινωνίας: τα ανασταλτικά κύτταρα δεν είναι τυχαία στις ενέργειές τους. Αντίθετα, είναι εξαιρετικά επιλεκτικοί σχετικά με τα διεγερτικά κύτταρα που στοχεύουν, δημιουργώντας ένα σύστημα συντονισμού και συνεργασίας σε όλο το δίκτυο. Ορισμένα ανασταλτικά κύτταρα συνεργάζονται, καταστέλλοντας πολλαπλά διεγερτικά κύτταρα, ενώ άλλα είναι πιο ακριβή, στοχεύοντας μόνο σε συγκεκριμένους τύπους.

Απολαμβάνετε το περιεχόμενο μας? Εγγραφείτε στο newsletter μας!

«Αυτό είναι το μέλλον από πολλές απόψεις», εξήγησε ο Andreas Tolias, Ph.D., ένας από τους κορυφαίους επιστήμονες που εργάστηκαν σε αυτό το έργο τόσο στο Baylor College of Medicine όσο και στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. «Το MICrONS θα αποτελέσει ορόσημο για τη δημιουργία μοντέλων θεμελίωσης του εγκεφάλου που εκτείνονται σε πολλά επίπεδα ανάλυσης, ξεκινώντας από το επίπεδο συμπεριφοράς έως το αναπαραστατικό επίπεδο της νευρικής δραστηριότητας και ακόμη και στο μοριακό επίπεδο».