Σε μια εποχή που η κατανόηση του ανθρώπινου εγκεφάλου παραμένει ένα από τα πιο συναρπαστικά και πολυσύνθετα πεδία της επιστήμης, μια πρωτοποριακή έρευνα έρχεται να αλλάξει τα δεδομένα. Η δημιουργία του πρώτου τρισδιάστατου, εξαιρετικά λεπτομερούς χάρτη του εγκεφάλου θηλαστικού, αν και αφορά τον εγκέφαλο ενός ποντικιού, ανοίγει νέους δρόμους για την κατανόηση της λειτουργίας του νου και των νευρωνικών συνδέσεων.

Η τεράστια αυτή πρόοδος δεν αποτελεί απλώς ένα τεχνικό κατόρθωμα. Είναι ένα βήμα προς τη δυνατότητα αντιμετώπισης ανθρώπινων νευροεκφυλιστικών παθήσεων, όπως η νόσος Αλτσχάιμερ και ο αυτισμός, παρέχοντας στους επιστήμονες ένα πολύτιμο εργαλείο κατανόησης και ίσως μελλοντικά θεραπείας.

Όταν κατανοούμε τον χάρτη, μπορούμε να κατανοήσουμε τη λειτουργία – και όταν κατανοούμε τη λειτουργία, μπορούμε να επαναφέρουμε την ισορροπία σε περίπτωση δυσλειτουργίας.

Τι κατάφεραν οι επιστήμονες

Χρησιμοποιώντας ένα μικρό κομμάτι εγκεφαλικής ύλης ποντικού στο μέγεθος ενός κόκκου άμμου, οι επιστήμονες δημιούργησαν τον πρώτο ακριβή, τρισδιάστατο χάρτη του εγκεφάλου ενός θηλαστικού.

Ο χάρτης περιγράφει λεπτομερώς τη μορφή, τη λειτουργία και τη δραστηριότητα 84.000 νευρώνων, διακλαδιζόμενων δομών που εκπέμπουν μηνύματα κατά μήκος ενός μακρού βραχίονα, που ονομάζεται άξονας, και στη συνέχεια μέσω περισσότερων από 500 εκατομμυρίων συνάψεων, καθώς και 200.000 εγκεφαλικών κυττάρων. Το μικροσκοπικό κομμάτι ιστού περιείχε 5,4 χιλιόμετρα νευρωνικής καλωδίωσης – σχεδόν μιάμιση φορά το μήκος του Σέντραλ Παρκ της Νέας Υόρκης.

Το έργο αποτελεί το αποκορύφωμα σχεδόν μιας δεκαετίας έρευνας 150 επιστημόνων σε 22 ιδρύματα με επικεφαλής το Ινστιτούτο Άλεν για την Επιστήμη του Εγκεφάλου, το Κολέγιο Ιατρικής Μπέιλορ και το Πανεπιστήμιο Πρίνστον.

«Ένα υποπροϊόν όλου αυτού του έργου μας δείχνει πόσο απίστευτα όμορφος είναι ο εγκέφαλος», δήλωσε ο δρ Φόρεστ Κόλμαν, αναπληρωτής διευθυντής δεδομένων και τεχνολογίας στο Ινστιτούτο Άλεν, σε ένα βίντεο που μοιράστηκε ο οργανισμός.

«Απλά κοιτάζοντας αυτούς τους νευρώνες βλέπεις τη λεπτομέρεια και την κλίμακά τους με τρόπο που σε κάνει να εκτιμάς τον εγκέφαλο με μια αίσθηση δέους, όπως όταν κοιτάς ψηλά, ξέρεις, ας πούμε, σε μια εικόνα ενός γαλαξία πολύ, πολύ μακριά», πρόσθεσε.

Ο εκπληκτικός χάρτης αντιπροσωπεύει μόνο το 1/500 του συνολικού όγκου του εγκεφάλου ενός ποντικιού, ωστόσο η ομάδα κατέληξε σε 1,6 petabytes δεδομένων – μια εκπληκτική ποσότητα που ισοδυναμεί με 22 χρόνια βίντεο HD χωρίς διακοπή, τα οποία το πρόγραμμα, γνωστό ως The Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS), έχει ήδη δημοσιοποιήσει.

Οι ερευνητές περιέγραψαν το έργο τους σε διάφορες εργασίες που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature στις 9 Απριλίου.

Ανάπτυξη της εγκεφαλικής δραστηριότητας

Για να φτιάξουν τον χάρτη, οι επιστήμονες του Κολεγίου Ιατρικής Μπέιλορ στο Χιούστον ξεκίνησαν χρησιμοποιώντας ειδικά μικροσκόπια για να καταγράψουν την εγκεφαλική δραστηριότητα σε ένα τμήμα ιστού ενός κυβικού χιλιοστού στον οπτικό φλοιό ενός πειραματόζωου – όπου το ζώο επεξεργάζεται αυτό που βλέπει – κατά τη διάρκεια μερικών ημερών.

Οι ερευνητές εξασφάλισαν ότι το ποντίκι ήταν ξύπνιο και ότι είχε οπτικά ερεθίσματα κατά τη διάρκεια της απεικόνισης, βάζοντας το ζώο να τρέξει σε διάδρομο και να παρακολουθήσει σκηνές 10 δευτερολέπτων από διάφορες ταινίες, όπως «The Matrix» και «Mad Max: Fury Road». Αποσπάσματα από το YouTube με ακραία αθλήματα, όπως motocross, έλκηθρο και BASE jumping, ήταν επίσης μέρος της εναλλασσόμενης προβολής, σύμφωνα με δελτίο τύπου του Πανεπιστημίου Πρίνστον.

Στη συνέχεια, μετά την ευθανασία του ποντικιού, οι ερευνητές από το Ινστιτούτο Άλεν στο Σιάτλ πήραν το ίδιο κυβικό χιλιοστό του εγκεφάλου και το έκοψαν σε περισσότερες από 28.000 φέτες, κάθε μία από τις οποίες είχε πλάτος 1/400 μιας ανθρώπινης τρίχας, και έλαβαν εικόνες από κάθε φέτα στην πορεία. Στη συνέχεια ανακατασκεύασαν τις εικόνες σε ένα σύνθετο σχήμα.

«Αυτό μας πήρε περίπου 12 ημέρες και 12 νύχτες με την ομάδα να κάνει βάρδιες όλο το εικοσιτετράωρο- όχι επειδή το κόβαμε με το χέρι, είναι ένα μηχάνημα που είναι αυτοματοποιημένο», δήλωσε ο δρ Νούνιο Ματσαρίκο ντα Κόστα, συνεργάτης ερευνητής στο Ινστιτούτο Άλεν.

«Έπρεπε να είμαστε εκεί για να σταματήσουμε ανά πάσα στιγμή, αν πιστεύαμε ότι θα χάναμε περισσότερα από ένα τμήματα στη σειρά». Αν συνέβαινε αυτό, ο ντα Κόστα δήλωσε ότι το πείραμα θα έπρεπε να ξεκινήσει από το μηδέν, προσθέτοντας ότι η όλη διαδικασία ήταν πολύ «αγχωτική».

Μια ομάδα του Πανεπιστημίου Πρίνστον στο Νιου Τζέρσεϊ χρησιμοποίησε στη συνέχεια εργαλεία μηχανικής μάθησης και Τεχνητής Νοημοσύνης για να ανιχνεύσει το περίγραμμα κάθε νευρώνα μέσα από τις τομές, χρωματίζοντας τους νευρώνες για να τους φωτίσει ξεχωριστά σε μια διαδικασία που ονομάζεται τμηματοποίηση. Οι πληροφορίες που παράγονται από την Τεχνητή Νοημοσύνη επικυρώνονται ή διορθώνονται από τους εμπλεκόμενους επιστήμονες, μια διαδικασία που βρίσκεται ακόμη σε εξέλιξη.

Η εργασία αυτή κατέληξε σε μια ενοποιημένη άποψη αυτού που οι επιστήμονες αποκαλούν «συνδετικό σώμα» του εγκεφάλου των ποντικών, η οποία δείχνει πώς είναι οργανωμένα συγκεκριμένα τμήματα του εγκεφάλου των ποντικών και προσφέρει πληροφορίες για το πώς συνεργάζονται μεταξύ τους διαφορετικοί τύποι κυττάρων.

«Το connectome (Χάρτης Νευρωνικών Συνάψεων) είναι η αρχή του ψηφιακού μετασχηματισμού της επιστήμης του εγκεφάλου», δήλωσε ο δρ Σεμπάστιαν Σιούνγκ, καθηγητής στη Νευροεπιστήμη του Πανεπιστημίου Πρίνστον και καθηγητής της επιστήμης των υπολογιστών.

«Με μερικές πληκτρολογήσεις μπορείς να αναζητήσεις πληροφορίες και να λάβεις τα αποτελέσματα σε δευτερόλεπτα. Κάποιες από αυτές τις πληροφορίες θα χρειαζόταν μια ολόκληρη διδακτορική διατριβή για να βρεθούν πριν. Και αυτή είναι η δύναμη του ψηφιακού μετασχηματισμού», δήλωσε σε δελτίο Τύπου.

Μια ακατόρθωτη πρόκληση

Η χαρτογράφηση του εγκεφάλου με αυτόν τον τρόπο θεωρούνταν εδώ και καιρό μια αδύνατη πρόκληση. Ο μοριακός βιολόγος Φράνσις Κρικ, ο οποίος τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ για την περιγραφή της δομής του DNA, υποστήριξε ότι οι νευροεπιστήμονες δεν θα μπορούσαν ποτέ να επιτύχουν μια τόσο λεπτομερή κατανόηση του εγκεφάλου.

«Δεν έχει νόημα να ζητάμε το αδύνατο, όπως, ας πούμε, το ακριβές διάγραμμα καλωδίωσης ενός κυβικού χιλιοστού εγκεφαλικού ιστού και τον τρόπο με τον οποίο πυροδοτούνται όλοι οι νευρώνες του», έγραψε στο Scientific American το 1979.

Το «connectome» του εγκεφάλου του ποντικιού βασίζεται σε παρόμοιες εργασίες σε ακόμη μικρότερα πλάσματα: Το connectome του νηματώδους σκουληκιού C. elegans ολοκληρώθηκε το 2019 και οι επιστήμονες αποκάλυψαν έναν χάρτη όλων των νευρώνων του εγκεφάλου της μύγας των φρούτων το 2024.

Ένα κυβικό χιλιοστό του εγκεφάλου του ποντικού είναι περίπου 20 φορές μεγαλύτερο από τον πλήρη εγκέφαλο της μύγας των φρούτων και πολύ πιο πολύπλοκο, δήλωσαν οι ερευνητές. Παρ’ όλα αυτά, ο στόχος είναι να μπορέσουν να χαρτογραφήσουν ολόκληρο το connectome του εγκεφάλου των ποντικών στο εγγύς μέλλον.

«Νομίζω ότι αυτή τη στιγμή η απάντηση είναι όχι, δεν είναι εφικτό, αλλά νομίζω ότι όλοι έχουν πολύ σαφείς ιδέες για το πώς θα μπορούσαν να σπάσουν αυτά τα εμπόδια. Ελπίζουμε ότι σε τρία ή τέσσερα χρόνια θα μπορούμε να πούμε, ναι, είναι εφικτό», δήλωσε ο Κόλμαν στο CNN.

Ωστόσο, όπως είπε, η χαρτογράφηση του ανθρώπινου εγκεφαλικού συνδετικού συστήματος με παρόμοια συναπτική ανάλυση θα ήταν ένα δραματικά πιο δύσκολο εγχείρημα. «Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι κατά 1.500 φορές μεγαλύτερος από τον εγκέφαλο του ποντικιού, και αυτό δημιουργεί ένα σωρό … τεχνικά και ηθικά εμπόδια για να γίνει αυτό», είπε.

Ωστόσο, θα μπορούσε να είναι δυνατή η ανίχνευση των αξόνων σε ολόκληρο τον ανθρώπινο εγκέφαλο, αν όχι των συναπτικών συνδέσεων, πρόσθεσε ο δρ Κλέι Ριντ, ανώτερος ερευνητής στην επιστήμη του εγκεφάλου στο Ινστιτούτο Άλεν.

«Η προοπτική της ανακατασκευής ολόκληρου του ανθρώπινου εγκεφάλου σε επίπεδο όλων των συνδέσεων, αυτό είναι κάτι για το μακρινό μέλλον».

Διαβασε ακομα

Η μύγα ξεκλειδώνει τον μηχανισμό της ανθρώπινης σκέψης

Ένας νέος τρόπος μελέτης της νόσου Αλτσχάιμερ

Ο νεοφλοιός παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για μελέτη, διότι αυτή η περιοχή του εγκεφάλου είναι αυτό που διακρίνει τους εγκεφάλους των θηλαστικών από εκείνους των άλλων σπονδυλωτών, δήλωσαν η δρ Μαριέλα Πέτκοβα, επιστημονική συνεργάτης, και ο δρ Γκρέγκορ Σούκνεχτ, μεταδιδακτορικός συνεργάτης, αμφότεροι στο τμήμα μοριακής και κυτταρικής βιολογίας του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ. Η Πέτκοβα και ο Σούκνεχτ δεν συμμετείχαν στη δημιουργία του χάρτη του εγκεφάλου των ποντικών.

«Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε αυτή την περιοχή επειδή θεωρείται γενικά ότι είναι η έδρα της ανώτερης νόησης και παίζει βασικό ρόλο στην αισθητηριακή αντίληψη, την επεξεργασία της γλώσσας, τον προγραμματισμό και τη λήψη αποφάσεων», έγραψαν σε άρθρο που δημοσιεύθηκε παράλληλα με την έρευνα.

«Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτές οι φαινομενικά διαφορετικές λειτουργίες καθίστανται δυνατές από ένα σχέδιο που μπορεί να βρεθεί, με κάποιες τροποποιήσεις, σε όλες τις περιοχές του φλοιού και σε όλα τα θηλαστικά».

Τα πειραματόζωα χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως για την κατανόηση των ανθρώπινων ασθενειών και η καλύτερη κατανόηση της μορφής και της λειτουργίας του εγκεφάλου των ποντικών θα παρουσιάσει νέες δυνατότητες για τη μελέτη ανθρώπινων εγκεφαλικών διαταραχών όπως η νόσος Αλτσχάιμερ, η νόσος Πάρκινσον, ο αυτισμός και η σχιζοφρένεια που περιλαμβάνουν διαταραχές στη νευρική επικοινωνία.

Διαβασε ακομα

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ένα πραγματικά μοναδικό μέρος

«Αν έχουμε ένα χαλασμένο ραδιόφωνο και έχουμε το διάγραμμα του κυκλώματος, θα είμαστε σε καλύτερη θέση να το φτιάξουμε», δήλωσε ο ντα Κόστα σε δελτίο Τύπου. «Περιγράφουμε ένα είδος χάρτη Google ή σχεδιαγράμματος αυτού του κόκκου άμμου. Στο μέλλον, μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε αυτό για να συγκρίνουμε την καλωδίωση του εγκεφάλου σε ένα υγιές ποντίκι με την καλωδίωση του εγκεφάλου σε ένα μοντέλο ασθένειας».

Με πληροφορίες από CNN