Οι εγκέφαλοι είναι απίστευτα περίπλοκα συστήματα συνδέσεων μεταξύ νευρώνων. Η χαρτογράφηση αυτών των συνδέσεων είναι ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου. Οι επιστήμονες ολοκλήρωσαν πρόσφατα την πιο φιλόδοξη προσπάθεια για την κατασκευή ενός τέτοιου χάρτη: ένα πλήρες έγγραφο κάθε νευρώνα και κάθε σύνδεση στον εγκέφαλο μιας ενήλικης μύγας φρούτων.
Η έρευνα αντιπροσωπεύει τον πρώτο τέτοιο χάρτη για ένα ζώο που μπορεί να περπατήσει και να δει, και τον πρώτο πλήρη χάρτη του εγκεφάλου ενός ενήλικου ζώου. Ανιχνεύει κάθε έναν από τους 139.255 νευρώνες στον εγκέφαλο του Drosophila melanogasterμαζί με τις 50 εκατομμύρια συνδέσεις μεταξύ τους, και είναι μακράν η μεγαλύτερη και πιο λεπτομερής που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Ένας παρόμοιος χάρτης έχει δημιουργηθεί για την προνύμφη του ίδιου είδους, αλλά αυτός ο εγκέφαλος είναι πολύ μικρότερος, με μόνο περίπου 3.000 νευρώνες. Ο εγκέφαλος ενός ενήλικα πρέπει επίσης να χειρίζεται πολύ περισσότερες πληροφορίες και συμπεριφορές.
Ο χάρτης περιγράφεται στο δυο χαρτιά δημοσιεύτηκε στις 2 Οκτωβρίου στο Φύση. Είναι το αποτέλεσμα μιας συνεργασίας μεταξύ μιας ομάδας 287 ερευνητών σε 76 ιδρύματα σε όλο τον κόσμο και χρησιμοποίησε πάνω από 100 TB δεδομένων.
Οι συν-συγγραφείς Phillip Schlegel, Sven Dorkenwald, Sebastian Seung, Gregory Jeffris, Davi Bock και Mala Murthy μίλησαν στον Λαϊκή Επιστήμη για το επίτευγμα ορόσημο.
Υπάρχει προφανώς μια τεράστια διαφορά στο μέγεθος, και ο εγκέφαλος της μύγας περιλαμβάνει δομές όπως αυτή σώμα μανιταριού που δεν έχουμε—αλλά στο επίπεδο του πώς συνδέονται οι νευρώνες και πώς σχηματίζεται η «καλωδίωση», πόσο παρόμοιος είναι ο εγκέφαλος μιας μύγας με τον δικό μας;
Philipp Schlegel: Στο επίπεδο των συνδέσεων νευρώνα με νευρώνα, ο εγκέφαλός μας και αυτός των εντόμων είναι εξαιρετικά παρόμοιοι, γι’ αυτό Δροσοφίλα είναι ένα τόσο εξαιρετικό σύστημα μοντέλο για τη μελέτη του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου. Τούτου λεχθέντος, υπάρχουν φυσικά κάποιες διαφορές και συχνά με ιντριγκάρουν περισσότερο οι περιπτώσεις απόκλισης παρά ομοιότητας.
Sebastian Seung: Το σώμα του μανιταριού είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα. Είναι αλήθεια ότι αυτή η οσφρητική δομή δεν υπάρχει στον εγκέφαλό μας. Ωστόσο, ο απειροειδές φλοιός μας πιστεύεται ότι είναι ανάλογος με το σώμα του μανιταριού εντόμου στη συνδεσιμότητα του. (Αυτή η αναλογία μπορεί να επεκταθεί στο υπόλοιπο οσφρητικό σύστημα.) Επειδή το γονιδίωμα της μύγας και του ανθρώπου είναι παρόμοιο, γνωρίζουμε από καιρό ότι ο εγκέφαλος της μύγας και ο ανθρώπινος εγκέφαλος πρέπει να έχουν ομοιότητες σε μοριακό επίπεδο. Αργήσαμε να συνειδητοποιήσουμε ότι υπάρχουν επίσης ομοιότητες σε επίπεδο κυκλώματος, που αποκαλύπτονται με την εξέταση μοτίβων συνδεσιμότητας.
[One question is] γιατί υπάρχουν ομοιότητες κυκλωμάτων, όταν ο εξελικτικός πρόγονος των μυγών και των ανθρώπων είναι τόσο αρχαίος. Ίσως οι ομοιότητες να προκλήθηκαν από τη συγκλίνουσα εξέλιξη. Σε μοριακό επίπεδο, τα συστήματα όσφρησης των εντόμων και του ανθρώπου φαίνονται πολύ διαφορετικά. τα γονίδια για τους οσφρητικούς υποδοχείς είναι διαφορετικά. Αλλά τα κυκλώματα μπορεί να έχουν καταλήξει ανάλογα γιατί πρέπει να λύσουν το ίδιο υπολογιστικό πρόβλημα.
Βίντεο: Τρισδιάστατη απόδοση όλων των ~ 140.000 νευρώνων στον εγκέφαλο της μύγας φρούτων. Πίστωση: Πηγή δεδομένων: FlyWire.ai; Απόδοση από τον Philipp Schlegel (University of Cambridge/MRC LMB).
Ντέιβι Μποκ: Τόσο στον εγκέφαλο της μύγας φρούτων όσο και στον δικό μας, μεγάλα δίκτυα νευρώνων συνδυάζονται με κάποιο τρόπο για να επεξεργαστούν πληροφορίες, να οδηγήσουν τη συμπεριφορά και να αποθηκεύσουν και να ανακαλέσουν τη μνήμη. Και στους δύο εγκεφάλους, οι νευρώνες πυροδοτούν δυναμικά δράσης, χρησιμοποιούν κοινούς νευροδιαβιβαστές κ.λπ. Και οι δύο εγκέφαλοι χαρακτηρίζονται από μαζικά επαναλαμβανόμενη συνδεσιμότητα. Και οι δύο εγκέφαλοι εμφανίζουν υπογραφές ενδιαφέρουσας δομής δικτύου που θα θέλαμε πολύ να κατανοήσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες.
Έτσι, ενώ υπάρχουν διαφορές, το κεντρικό ερώτημα του πώς να οργανωθούν μεγάλα δίκτυα νευρώνων για την επεξεργασία, την αποθήκευση και την ανάκληση πληροφοριών θα έχει σχεδόν αναπόφευκτα κοινά ερείσματα μεταξύ των ειδών. Το να καταλάβουμε αυτό είναι ένα δύσκολο πρόβλημα και η ενήλικη μύγα φαίνεται να είναι ένα χαρούμενο μέσο μεταξύ «πολύ απλούστερο από τον άνθρωπο» και «ακόμα πραγματικά ενδιαφέρον» όσον αφορά την επεξεργασία πληροφοριών και τις ικανότητες συμπεριφοράς.
Στο βαθμό που υπάρχει κάτι σαν «τυπικός» νευρώνας, πώς συγκρίνεται ένας τυπικός νευρώνας στον εγκέφαλο μιας μύγας με τον ανθρώπινο; Έχουν το ίδιο μέγεθος; Έχουν παρόμοιο αριθμό δενδριτών και συναπτικών τερματικών; Δημιουργούν παρόμοιο αριθμό συνδέσεων;
ΥΓ: Δεν είναι τετριμμένο να ορίσουμε έναν «τυπικό» νευρώνα, όπως φαίνεται από τον αριθμό των τύπων κυττάρων (πάνω από 8.000) που βρήκαμε στον σχετικά μικρό εγκέφαλο της μύγας. Στο οπτικό σύστημα της μύγας, για παράδειγμα, οι νευρώνες έχουν κατά μέσο όρο περίπου 0,6 χιλιοστά «μήκος» (δηλαδή το συνδυασμένο μήκος όλων των κλάδων του νευρώνα) και έχουν περίπου 270 εισόδους και 500 εξόδους. Ο Γκρεγκ το αναφέρει ήδη αυτό παρακάτω, αλλά λέγοντας ότι οι νευρώνες των θηλαστικών είναι περίπου 10 φορές μεγαλύτεροι από τους νευρώνες της μύγας, μάλλον δεν απέχει πολύ από την αλήθεια.
Στους εγκεφάλους θηλαστικών μεμονωμένες συνάψεις είναι τυπικά ένα προς ένα, δηλαδή σχηματίζουν μια σύνδεση μεταξύ ακριβώς δύο νευρώνων. Αντίθετα, οι συνάψεις των εντόμων είναι συνήθως ένα προς πολλά (“πολυαδικές”), που σημαίνει ότι συνδέουν πολλούς διαφορετικούς νευρώνες. Το γιατί μπορεί να συμβαίνει αυτό είναι για εικασίες, αλλά ίσως έχει να κάνει με εγκεφάλους εντόμων που προσπαθούν να συσκευάσουν όσο το δυνατόν περισσότερη συνδεσιμότητα (και επομένως υπολογιστική ισχύ) σε έναν πολύ μικροσκοπικό μικρότερο εγκέφαλο.
SS: Ένας ανθρώπινος νευρώνας είναι γενικά πολύ μεγαλύτερος. Ένας ανθρώπινος νευρώνας μπορεί να εκτείνεται από τη μια πλευρά του εγκεφάλου στην άλλη, ή μεταξύ του εγκεφάλου και του νωτιαίου μυελού. Ένας νευρώνας καμηλοπάρδαλης ή φάλαινας μπορεί να είναι ακόμα μεγαλύτερος.
Πώς συγκρίνεται η νευροχημεία μιας μύγας με αυτή του ανθρώπου; Βλέπουμε όλους τους νευροδιαβιβαστές στον εγκέφαλο μιας μύγας που παρατηρούμε σε έναν ανθρώπινο εγκέφαλο ή μόνο μερικούς από αυτούς; Παίζουν τους ίδιους ρόλους και στους δύο εγκεφάλους; Και υπάρχουν νευροδιαβιβαστές στον εγκέφαλο της μύγας που δεν παρατηρούνται στον ανθρώπινο εγκέφαλο;
ΥΓ: Οι μύγες χρησιμοποιούν τους ίδιους νευροδιαβιβαστές (ντοπαμίνη, GABA, ακετυλοχολίνη κ.λπ.) με εμάς.
SS: Οι κύριοι νευροδιαβιβαστές είναι οι ίδιοι, αλλά υπάρχουν διαφορές στον τρόπο λειτουργίας τους. Για παράδειγμα, το γλουταμικό είναι κυρίως διεγερτικό στον εγκέφαλό μας, αλλά συνήθως ανασταλτικό στον εγκέφαλο της μύγας. Υπάρχουν όμως και ομοιότητες. Για παράδειγμα, η ντοπαμίνη φαίνεται να είναι σημαντική για την «μάθηση ανταμοιβής» τόσο στον εγκέφαλο της μύγας όσο και στον ανθρώπινο εγκέφαλο.
Τελικά, εξετάζουμε έναν εγκέφαλο που λειτουργεί με τρόπο που είναι θεμελιωδώς παρόμοιος με τον ανθρώπινο εγκέφαλο, αλλά μικρότερος και ευκολότερος να χαρτογραφηθεί; Ή υπάρχουν σημαντικές διαφορές;
SS: Αυτή είναι μια ερώτηση μισογεμάτο ή μισοάδειο ποτήρι. Υπάρχουν και ομοιότητες και διαφορές. Γνωρίζουμε τώρα ότι τα κυκλώματα μύγας για όσφρηση, όραση και πλοήγηση έχουν αρχιτεκτονικές ομοιότητες με τα κυκλώματα θηλαστικών για τις ίδιες λειτουργίες. Αυτό που εννοώ είναι ότι υπάρχουν ανάλογα μοτίβα συνδεσιμότητας σε αυτά τα κυκλώματα, όπως παρόμοια αρχιτεκτονικά μοτίβα μπορεί να βρεθούν σε διαφορετικά κτίρια.
Το fly connectome βοηθά τους νευροεπιστήμονες να επιτύχουν την πρώτη πραγματικά βαθιά κατανόηση της λειτουργίας οποιουδήποτε εγκεφάλου. Σε αυτό το χρονικό σημείο, οποιοσδήποτε εγκέφαλος που μπορούμε να κατανοήσουμε πραγματικά μας βοηθά να κατανοήσουμε όλους τους εγκεφάλους.
Γιατί το συγκεκριμένο είδος μύγας είναι τόσο καλά μελετημένο; Τι το κάνει ελκυστικό θέμα;
SS: Drosophila melanogaster έχει χρησιμοποιηθεί ως πρότυπο οργανισμό στη βιολογία για περισσότερο από έναν αιώνα, επομένως υιοθετήθηκε φυσικά και από νευροεπιστήμονες. Τούτου λεχθέντος, οι συνδέσεις άλλων ειδών εντόμων είναι στον ορίζοντα: μυρμήγκια, κουνούπια, μέλισσες, κ.λπ. Η σύγκριση αυτών των συνδέσμων και η σχέση με την πλούσια ποικιλία συμπεριφορών των εντόμων θα είναι ένας συναρπαστικός και διασκεδαστικός τομέας έρευνας.
Μάλα Μέρθι: Οι μύγες είναι ένα σημαντικό σύστημα μοντέλου για τη νευροεπιστήμη, καθώς ο εγκέφαλός τους λύνει πολλά από τα ίδια προβλήματα με εμάς, και επειδή είναι ικανές για περίπλοκες συμπεριφορές όπως το περπάτημα και το πέταγμα, συμπεριφορές μάθησης και μνήμης, πλοήγηση, σίτιση, ακόμα και κοινωνικές αλληλεπιδράσεις. Το εργαστήριό μου μελετά τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος διαμεσολαβεί την κοινωνική επικοινωνία και ανακαλύψαμε ότι οι μύγες χρησιμοποιούν συνεχώς ενδείξεις ανατροφοδότησης, όπως εικόνες και ήχους, από έναν κοινωνικό εταίρο για να αποφασίσουν ποια δράση θα παράγουν κάθε στιγμή – μπορούν ακόμη και να κάνουν διαφορετικές επιλογές σε διαφορετικά πλαίσια . Αυτό το είδος πολύπλοκης συμπεριφοράς περιλαμβάνει μεγάλο μέρος του εγκεφάλου, απαιτώντας έναν πλήρη χάρτη όλων των συνδέσεων στον εγκέφαλο για την επίλυσή του.
Οι εργασίες συζητούν την ιδέα μιας «νιφάδας χιονιού» και το ερώτημα του πόσο αντιπροσωπευτικός μπορεί να είναι κάθε μεμονωμένος εγκέφαλος ενός είδους. Είναι το ερώτημα εδώ ότι ενώ η δομή ενός εγκεφάλου (το «κύκλωμά» του, για να χρησιμοποιήσουμε μια ηλεκτρονική μεταφορά) είναι παρόμοια σε ένα είδος, οι πραγματικές συνδέσεις μέσα σε αυτήν τη δομή (η «καλωδίωση») μπορεί να είναι διαφορετικές; Π.χ. ο νευρώνας x και ο νευρώνας y θα μπορούσαν να συνδεθούν φυσικά σε δύο εγκεφάλους, αλλά σε έναν εγκέφαλο η σύνδεση θα μπορούσε να είναι ανενεργή ενώ σε έναν άλλο θα μπορούσε να είναι ενεργή;
ΥΓ: Αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα ερώτηση. Στη συνεκτομική τείνουμε να λέμε ότι μια σύνδεση μεταξύ δύο νευρώνων είναι «ισχυρή» όταν αποτελείται από πολλές μεμονωμένες συνάψεις. Με βάση τη σύγκριση μεταξύ του συνόλου δεδομένων FlyWire και ενός προηγούμενου μερικού χάρτη εγκεφάλου, ισχυρές συνδέσεις υπάρχουν σχεδόν πάντα και στους δύο εγκεφάλους. Εσείς (και μάλιστα πολλοί άλλοι νευροεπιστήμονες) ρωτάτε τώρα δικαίως εάν αυτή η «δομική» δύναμη μιας σύνδεσης μεταφράζεται απαραίτητα σε «λειτουργική» δύναμη.
Η σύντομη απάντηση είναι: πιθανότατα ναι. Η ελαφρώς μεγαλύτερη απάντηση είναι: δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα ακόμα, αλλά από όσο γνωρίζω, οι λειτουργικές συνδέσεις που αναφέρθηκαν σε προηγούμενες φυσιολογικές και συμπεριφορικές μελέτες αποδεικνύονται επίσης δομικά ισχυρές στο συνδετικό τμήμα. Τούτου λεχθέντος: αυτό παραμένει ένα μεγάλο ερώτημα που θα πρέπει να αντιμετωπίσει η κοινότητα των νευροεπιστημών τα επόμενα χρόνια.
Αυτό εγείρει το ερώτημα εάν υπάρχει κάποια καθολικότητα στην «καλωδίωση», δηλαδή εάν υπάρχουν κάποιοι νευρώνες που είναι πάντα συνδεδεμένοι ή «καλωδιωμένοι».
ΜΜ: Υπάρχουν πράγματι ομοιότητες στην οργάνωση του εγκεφάλου και θα είναι συναρπαστικό να κατανοήσουμε πώς αυτές σχετίζονται με τη λειτουργία.
Η μύγα έχει περίπου 10^5 νευρώνες και ένας εγκέφαλος ποντικιού έχει περίπου 10^8 νευρώνες. Πώς κλιμακώνεται ο αριθμός των συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων σε σύγκριση με τον αριθμό των νευρώνων; Ο εγκέφαλος ενός ποντικιού έχει 1000 φορές τις συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων από ό,τι του εγκεφάλου μιας μύγας ή πολλές περισσότερες;
Γρηγόρης Τζέφρις: Στην πραγματικότητα, ο αριθμός των συνάψεων ανά νευρώνα πιθανότατα δεν διαφέρει περισσότερο από έναν παράγοντα 10, ίσως εν μέρει επειδή οι συνάψεις των μυγών είναι μικρότερες από τις συνάψεις των θηλαστικών και λόγω των [polyadic nature]. Μπορεί επίσης να υπάρχουν περισσότερες μεμονωμένες συνάψεις μεταξύ των ισχυρών νευρώνων συνεργατών στο μύγα σύνδεσης (οι πρωταθλητές συνδέσεις μεταξύ δύο νευρώνων είναι στις χιλιάδες μεμονωμένες συνάψεις).
Τέλος, θα μπορούσατε να μιλήσετε λίγο για το πώς ακριβώς η ύπαρξη ενός τόσο λεπτομερούς χάρτη του εγκεφάλου της μύγας θα επιτρέψει περαιτέρω έρευνα;
ΥΓ: Ναι, απολύτως. Αυτός ο χάρτης του εγκεφάλου καθορίζει μια γραμμή βάσης με την οποία μπορούν να συγκριθούν μελλοντικά πειραματικά connectome. Για παράδειγμα, θα μπορούσε κανείς να εκπαιδεύσει μια μύγα να αντιπαθεί μια μυρωδιά που διαφορετικά θα ήταν ελκυστική για το ζώο, στη συνέχεια να δημιουργήσει έναν χάρτη του εγκεφάλου αυτής της μύγας και να τον συγκρίνει με το FlyWire για να δει τι άλλαξε στο επίπεδο του κυκλώματος. Αν και το EEG δεν λειτουργεί σε μύγες (πολύ μικρές), η επικάλυψη ενός συνδετικού στοιχείου με άλλες μεθόδους, όπως η απεικόνιση ασβεστίου ή οι ηλεκτροφυσιολογικές καταγραφές είναι κάτι που εργάζεται ενεργά σε πολλές ερευνητικές ομάδες.
VIA: popsci.com
