Μια διεθνής ομάδα ερευνητών από τα ΠανεπιστήμιαJohns Hopkins και Κέμπριτζ δημιούργησαν ένα εκπληκτικά λεπτομερές διάγραμμα που εντοπίζει κάθε νευρική σύνδεση στον εγκέφαλο τηςπρονύμφης μιας φρουτόμυγας, η οποία αποτελεί ένα αρχέτυπο επιστημονικό μοντέλο με εγκέφαλο συγκρίσιμο με των ανθρώπων.
Η εργασία, που πιθανόν να στηρίξει τη μελλοντική έρευνα του εγκεφάλου και να εμπνεύσει νέες αρχιτεκτονικές μηχανικής μάθησης, εμφανίστηκεπρόσφατα στο περιοδικό Science.
«Αν θέλουμε να καταλάβουμε ποιοι είμαστε και πώςσκεφτόμαστε, χρειάζεται να κατανοήσουμε τον μηχανισμό της σκέψης. Και το κλειδί για αυτό είναι να γνωρίζουμε το πώς συνδέονται οι νευρώνες μεταξύ τους», σχολιάζειστο Scienceο ανώτερος συγγραφέας Joshua T. Vogelstein, βιοϊατρικός μηχανικός του Johns Hopkins που ειδικεύεται σε έργα που βασίζονται σε δεδομένα, συμπεριλαμβανομένης της μελέτης των συνδέσεων του νευρικού συστήματος, γνωστή με τον όρο “connectomics”.
Η πρώτη προσπάθεια χαρτογράφησης ενός εγκεφάλου - μια 14χρονη μελέτη σε ένα νηματώδη σκώληκα που ξεκίνησε τη δεκαετία του 1970, κατέληξε σε μερική χαρτογράφηση και σε ένα βραβείο Νόμπελ. Έκτοτε, μερικές νευρωνικές συνδέσεις έχουν χαρτογραφηθεί σε πολλούς ζωντανούς οργανισμούς συμπεριλαμβανομένων των μυγών, των ποντικών, ακόμη και των ανθρώπων, αλλά αυτές οι ανακατασκευές αντιπροσωπεύουν συνήθως μόνο ένα μικρό κλάσμα του συνολικού εγκεφάλου. Ολοκληρωμένες συνδέσεις έχουν χαρτογραφηθεί μόνο για μεμονωμένα μικρά είδη ( σε έναν νηματώδη σκώληκα ή σε μια προνύμφη ενός θαλάσσιου ασπόνδυλου) με μερικές εκατοντάδες έως μερικές χιλιάδες νευρώνες στο σώμα τους.
Όμως ο νέος αυτός χάρτης ολόκληρου του εγκεφάλου ενός μωρού φρουτόμυγας (Drosophila melanogaster), είναι ο πιο πλήρης που έχει δημιουργηθεί ποτέ, καθώς περιλαμβάνει 3.016 νευρώνες και κάθε σύνδεση μεταξύ τους, δηλαδή σε σύνολο 548.000 συνδέσεις!«Έχουν περάσει 50 χρόνια και αυτή είναι η πρώτη “connectomic” του εγκεφάλου», είπε ο Vogelstein.
Η χαρτογράφηση ολόκληρων εγκεφάλων είναι δύσκολη και εξαιρετικά χρονοβόρα, ακόμη και με την καλύτερη σύγχρονη τεχνολογία. Η λήψη μιας ολοκληρωμένης εικόνας ενός εγκεφάλου σε κυτταρικό επίπεδο απαιτεί τον τεμαχισμό του οργάνου σε εκατοντάδες ή χιλιάδες μεμονωμένα δείγματα ιστού, τα οποία πρέπει να απεικονιστούν με ηλεκτρονικά μικροσκόπια πριν από την επίπονη διαδικασία ανακατασκευής όλων αυτών των κομματιών, νευρώνα προς νευρώνα, σε πλήρες , ακριβές πορτρέτο ενός εγκεφάλου. Χρειάστηκε πάνω από μια δεκαετία για να γίνει αυτό με τη μύγα φρούτων.
Ο εγκέφαλος ενός ποντικιού εκτιμάται ότι είναι ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερος από εκείνον μιας μύγας φρούτων, που σημαίνει ότι η πιθανότητα να χαρτογραφηθεί οτιδήποτε κοντά στον ανθρώπινο εγκέφαλο δεν διαφαίνεται στο εγγύς μέλλον, ίσως ούτε και σε ολόκληρη τη διάρκεια της ζωής μας.
Η ομάδα επέλεξε σκόπιμα την προνύμφη της φρουτόμυγας επειδή το συγκεκριμένο είδος εντόμου μοιράζεται μεγάλο μέρος της θεμελιώδους βιολογίας του με τον άνθρωπο. Έχει επίσης πλούσιες συμπεριφορές μάθησης και λήψης αποφάσεων, καθιστώντας το ένανχρήσιμο πρότυπο οργανισμό στη νευροεπιστήμη. Και για πρακτικούς σκοπούς, ο σχετικά συμπαγής εγκέφαλός του μπορεί να απεικονιστεί και τα κυκλώματά του να ανακατασκευαστούν μέσα σε ένα λογικό χρονικό πλαίσιο.Όμως ακόμη κι έτσι, η εργασία πήρε 12 χρόνια. Η δε απεικόνιση από μόνη της χρειάστηκε περίπου μία ημέρα ανά νευρώνα.
Οι ερευνητές του Κέιμπριτζ δημιούργησαν τις εικόνες υψηλής ανάλυσης του εγκεφάλου και τις μελέτησαν χειροκίνητα για να βρουν μεμονωμένους νευρώνες, εντοπίζοντας αυστηρά για τον καθένα τις συναπτικές τους συνδέσεις. Το Κέιμπριτζ παρέδωσε τα δεδομένα στον Johns Hopkins, όπου η ομάδα πέρασε περισσότερα από τρία χρόνια χρησιμοποιώντας τον αρχικό κώδικα που δημιούργησε για να αναλύσει τη συνδεσιμότητα του εγκεφάλου. Η ομάδα του Johns Hopkins ανέπτυξε τεχνικές για την εύρεση ομάδων νευρώνων με βάση κοινά μοτίβα συνδεσιμότητας και στη συνέχεια ανέλυσε το πώς θα μπορούσαν να διαδοθούν πληροφορίες μέσω του εγκεφάλου.
Στο τέλος, η πλήρης ομάδα χαρτογράφησε κάθε νευρώνα και κάθε σύνδεση, και κατηγοριοποίησε κάθε νευρώνα με βάση τον ρόλο του στον εγκέφαλο. Η ομάδα διαπίστωσε ότι τα πιο πολυσύχναστα κυκλώματα του εγκεφάλου ήταν αυτά που οδηγούσαν από και προς τουςνευρώνες του κέντρου εκμάθησης, ενώ ταξινόμησε 93 διαφορετικούς τύπους νευρώνων, οι οποίοι διαφέρουν ως προς το σχήμα, την προτεινόμενη λειτουργία και τον τρόπο που συνδέονται με άλλους νευρώνες.
Οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν στο Johns Hopkins είναιεφαρμόσιμες σε οποιοδήποτε μελέτη συνδεσιμότητας εγκεφάλου και ο κώδικάς τους είναι διαθέσιμος σε όποιον επιθυμεί να χαρτογραφήσει έναν ακόμη μεγαλύτερο εγκέφαλο πειραματόζωου, είπε ο Vogelstein, προσθέτοντας ότι παρά τις προκλήσεις, οι επιστήμονες αναμένεται να ασχοληθούν με το ποντίκι, πιθανώς εντός της επόμενης δεκαετίας. Άλλες ομάδες εργάζονται ήδη σε έναν χάρτη του εγκεφάλου της ενήλικης φρουτόμυγας.
Η εργασία με την προνύμφη της φρουτόμυγας έδειξε χαρακτηριστικά κυκλώματος που θύμιζαν εντυπωσιακά εξέχουσες και ισχυρές αρχιτεκτονικές μηχανικής μάθησης. Η ομάδα αναμένει ότι η συνεχής μελέτη θα αποκαλύψει ακόμη περισσότερες υπολογιστικές αρχές και θα εμπνεύσει ενδεχομένως νέα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης.
«Αυτό που μάθαμε για τον κώδικα στις μύγες των φρούτων θα έχει επιπτώσεις στον κώδικα για τους ανθρώπους», είπε ο Vogelstein. «Αυτό θέλουμε να καταλάβουμε - πώς να γράψουμε ένα πρόγραμμα που να προσομοιάζει ένα ανθρώπινο εγκεφαλικό δίκτυο».
