Nowe mapy mózgu pomogą przewidywać nasze zachowania
6 grudnia 2021 roku w "Quantamagazine" ukazał się artykuł poświęcony najnowszym osiagnieciom grupy naurologów z Uniwersytetu Harvarda i inżynierów Google’a, którzy opracowali pierwszy schemat połączeń fragmentu ludzkiego mózgu. Autorką artykułu jest Monique Brouillette. Zachęcamy do przeczytania recenzji artykułu.
W 2021 roku grupa neurologów z Uniwersytetu Harvarda i inżynierów Google’a opublikowała pierwszy schemat połączeń fragmentu ludzkiego mózgu. Tkanka wielkości główki od szpilki została zakonserwowana, zabarwiona metalami ciężkimi, pocięta na 5000 plasterków i zobrazowana pod mikroskopem elektronowym. Ten milimetr sześcienny tkanki stanowi zaledwie jedną milionową całego ludzkiego mózgu, a jednak zawiera ogromną ilość danych – o wartości 1,4 petabajtów
Jeff Lichtman z Uniwersytetu Harvarda, główny autor badań, opisał wiele zagadkowych cech, które jego zespół zauważył w ludzkiej tkance. Mieściły się wśród nich nowe typy komórek, których nigdy nie widziano u zwierząt: neurony z aksonami, które zwijają się spiralnie jedna na drugiej oraz neurony z dwoma aksonami zamiast jednego. Naukowiec spędził dużo czasu na tworzeniu i rozważaniu tego rodzaju schematów połączeń neuronowych lub konektomów, czyli kompleksowych map wszystkich połączeń neuronowych w części lub całości żywego mózgu. Ponieważ konektom stanowi podstawę całej aktywności neuronalnej związanej z objętością materii mózgowej, jest kluczem do zrozumienia, jak człowiek myśli, czuje, porusza się, zapamiętuje, postrzega itd.
Nie możemy niestety oczekiwać w najbliższym czasie kompletnego schematu obwodów ludzkiego mózgu, ponieważ jest to technicznie niewykonalne. Szacuje się, że opracowanie całościowego konektomu mózgu myszy dałoby zbiór danych wielkości eksabajta, zaś zbiór danych dotyczący pełnego ludzkiego konektomu równałby się zettabajtowi, czyli wielkości porównywalnej do całości danych cyfrowych generowanych przez ludzkość przez jeden rok.
Pierwszy kompletnie odtworzony konektom należał do niewielkiego nicienia Caenorhabditis elegans. Dokonano tego 35 lat temu. Jak na owe czasy wysiłek był heroiczny, mimo że zwierzę ma w mózgu tylko 302 neurony i 5000 synaps. Odtworzenie konektomu dokonano dzięki żmudnemu procesowi ręcznego rysowania połączeń neuronalnych na wydrukach obrazów z mikroskopu elektronowego. Prace trwały ponad 15 lat. Wykazały, że czasami naukowcy mogą przewidzieć zachowanie zwierzęcia na podstawie wiedzy o jego konektomie. Eksperymenty pomogły poznać zasady rządzące łączeniem się neuronów w działające obwody. Przed naukowcami jeszcze bardzo długa droga, aby poradzić sobie ze znacznie bardziej złożonymi stworzeniami.
Obecnie postęp w technologii obrazowania wspomaganej przez sztuczną inteligencję umożliwia naukowcom skompletowanie jednego mózgu C. elegans w około miesiąc. Neuronaukowcy mogą zmapować kilka nicieni w ramach jednego eksperymentu, aby dokonać porównań między osobnikami o różnych cechach lub na różnych etapach życia. Takie podejście prowadzi do imponujących postępów w zrozumieniu tych zwierząt.
Naukowcy wykorzystali konektom nicienia do opisania jednego z najbardziej złożonych zachowań w świecie przyrody – zachowań godowych. Podczas mierzenia i śledzenia aktywności w komórkach mózgowych, badacze zarejestrowali C. elegans podczas aktu kojarzenia. Filmy ukazywały nicienie pełzające wokół siebie po serpentynach, podczas gdy białe światło pochodzące od białek fluorescencyjnych, wskazujące na aktywność neuronalną, migotało na całej długości ich ciał. Naukowcy podzielili złożone zachowania godowe na podkategorie, takie jak poszukiwanie partnerów, kopulację i odpoczynek. Następnie zmapowali aktywność neuronalną na konektom zwierzęcia, aby zidentyfikować mechanizmy mózgowe, które przetwarzają informacje ze środowiska podczas godów. Wynikająca z tego mapa aktywności mózgu była tak wyraźna i spójna między ośmioma osobnikami użytymi w badaniu, że mogli wykorzystać ją do przewidywania zachowań dziewiątego nicienia. Następnie naukowcy postanowili przetestować swoją wiedzę eksperymentalnie. Przyjmując nowego osobnika, wyeliminowali jeden z pięciu neuronów zaangażowanych w ruch zwany „obracaniem”, w którym zwierzę owija się wokół swojego partnera tuż przed kopulacją. Bez tego neuronu nicień stracił zdolność obracania się.
To pokazuje, że oprócz wyjaśniania podstaw zachowań, badania konektomiczne mogą również ujawnić subtelne szczegóły dotyczące sposobu, w jaki te zachowania są połączone z mózgami. Przykładowo, od pewnego czasu wiadomo, że u C. elegans połączenia między neuronami znacznie reorganizują się między narodzinami a dorosłością. Aby zrozumieć, w jaki sposób mózg zmienia się podczas rozwoju, naukowcy porównali połączenia ośmiu genetycznie identycznych nicieni – od stadium larwalnego do dorosłego. Najciekawszym odkryciem badania był fakt, że chociaż zwierzęta były genetycznie identyczne, aż 40% połączeń między komórkami nerwowymi w ich mózgach się różniło. Co więcej, związki, które różniły się między osobnikami były słabsze niż te, które były podobne. Silniejsze połączenia, które zawierały 100 lub więcej synaps, były spójne w wielu organizmach. Lichtman twierdzi, że odkrycie wskazuje na istnienie dwóch klas powiązań – zmiennych i spójnych. Jeśli okaże się, że zwierzęta tworzą bardziej spójne połączenia wspierające aktywność neuronalną niezbędną do przetrwania, poziom zmienności połączeń może stać się ważnym wskaźnikiem istotnych cech konektomu.
Sukcesy konektomiki są jednak poddawane krytyce. Przez wiele lat główną krytyką konektomiki było to, że nie wystarczy wyjaśnić, jak funkcjonuje mózg. Pomimo opracowania mapy mózgu C. elegans od dziesięcioleci naukowcy mają trudności z wyciągnięciem znaczących wniosków na temat jego funkcji nerwowych. Dla Lichtmana analizowanie pozornie nieograniczonych wzajemnych połączeń bardziej złożonych mózgów jest wyzwaniem, które sprawdza granice ludzkiej i sztucznej inteligencji.
Ponadto konektom nie mówi nam nic o jakości połączeń – czy są mocne, czy słabe. Po prostu mówi, że istnieje połączenie, a jest to istotne, aby wiedzieć, jak informacja przepływa przez mózg.
Neuronaukowcy często zakładają, że jeśli neuron nawiązuje połączenie, musi sprawić, że dotykany neuron coś zrobi, ale nie każde połączenie jest znaczące, zauważa Lichtman, ponieważ neurony tworzą tysiące połączeń z innymi neuronami w rozległych sieciach pełnych ścieżek o nakładających się funkcjach. To dlatego ktoś może doznać udaru, który niszczy tysiące neuronów i nie traci wspomnień.
Konektom również nie mówi nam prawie nic o substancjach chemicznych w mózgu zwanych neuromodulatorami, które krążą w płynie otaczającym neurony, w przeciwieństwie do substancji chemicznych neuroprzekaźników uwalnianych dokładnie w połączeniach synaptycznych między neuronami. Reprezentują inny sposób, w jaki komórki w mózgu komunikują się ze sobą. Ponadto wiele obwodów neuronowych zmienia swoje zachowanie w obecności neuromodulatora.
Panuje powszechna zgoda, że konektom nie wystarczy do zrozumienia mózgu, ale dotychczasowe sukcesy naukowców odtwarzających mapy obwodów mózgu osiągnięte przy wyjaśnianiu zachowań nicieni i much, pokazują, że konektom z pewnością może być bardzo pomocny.
Zachęcamy do przeczytania artykułów, w którym można znaleźć wiele ciekawych wypowiedzi naukowców biorących udział w opisanych badaniach.
