Τις τελευταίες δεκαετίες, όπως αναφέρεται, έχουν γίνει σημαντικές πρόοδοι στην κατανόηση των περίπλοκων λειτουργιών του εγκεφάλου. Οι ερευνητές έχουν αποκτήσει εκτεταμένες γνώσεις σχετικά με την κυτταρική νευροβιολογία του εγκεφάλου και έχουν αποκαλύψει πολλά για τα νευρωνικά δίκτυά του και τα στοιχεία που αποτελούν αυτές τις συνδέσεις. Παρόλα αυτά, μια ολόκληρη σειρά από σημαντικά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα και, κατά συνέπεια, ο εγκέφαλος συνεχίζει να είναι ένα από τα σπουδαία, δελεαστικά μυστήρια της επιστήμης.

Ίσως ένα από τα πιο ενοχλητικά από αυτά τα ερωτήματα περιστρέφεται γύρω από την κατανόησή μας για τον εγκέφαλο ως σύστημα. Οι επιστήμονες είναι ακόμη σε μεγάλο βαθμό στο σκοτάδι για το πώς ο εγκέφαλος λειτουργεί ως ένα δίκτυο αλληλεπιδρώντων συστατικών, για το πώς όλα τα νευρωνικά συστατικά συνεργάζονται και ειδικά για το πώς επεξεργάζονται οι πληροφορίες μεταξύ αυτού του πολύπλοκου δικτύου νευρώνων.

Επαναστατική έρευνα για έναν απλό οργανισμό: The C. elegans Worm

Τώρα, ωστόσο, μια ομάδα νευροεπιστημόνων και φυσικών στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, βοηθούν να ριχθεί φως για το πώς ρέουν οι πληροφορίες στον εγκέφαλο, μελετώντας τον εγκέφαλο ενός πολύ μικρού σκουληκιού γνωστού ως Caenorhabditis elegans. Οι λεπτομέρειες του πειράματος αναφέρονται σε πρόσφατο τεύχος του Nature. Η ομάδα αποτελούνταν από τους Francesco Randi, Sophie Dvali και Anuj Sharma και επικεφαλής της ήταν ο Andrew Leifer, νευροεπιστήμονας και φυσικός.

«Οι εγκέφαλοι είναι συναρπαστικοί και μυστηριώδεις», είπε ο Leifer. «Η ομάδα μας ενδιαφέρεται για το πώς οι συλλογές νευρώνων επεξεργάζονται πληροφορίες και δημιουργούν δράση».

Το ενδιαφέρον για αυτό το ερώτημα έχει ευρείες επιπτώσεις, πρόσθεσε ο Leifer. Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας ενός δικτύου νευρώνων είναι ένα κομμάτι μιας ευρύτερης κατηγορίας ερωτήσεων στη βιολογική φυσική, δηλαδή πώς αναδύονται συλλογικά φαινόμενα από δίκτυα αλληλεπιδρώντων κυττάρων και μορίων. Αυτός ο τομέας έρευνας έχει επιπτώσεις σε πολλά θέματα σχετικά με τη βιολογική φυσική καθώς και με σύγχρονες τεχνολογίες αιχμής, όπως η τεχνητή νοημοσύνη.

Το πρώτο βήμα για την απάντηση στο ερώτημα πώς επεξεργάζονται οι πληροφορίες μέσω ενός δικτύου αλληλεπιδρώντων νευρώνων απαιτούσε ο Leifer και η ομάδα του να βρουν έναν κατάλληλο οργανισμό που θα μπορούσε εύκολα να χειριστεί στο εργαστήριο. Αυτό αποδείχθηκε ότι ήταν το C. elegans, ένας μη τμηματοποιημένος, μη παρασιτικός νηματώδης ή στρογγυλός σκώληκας, που έχει μελετηθεί από επιστήμονες για δεκαετίες και θεωρείται ένας «γενετικά πρότυπος οργανισμός». Πρότυποι οργανισμοί χρησιμοποιούνται συνήθως στο εργαστήριο για να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν τις βιολογικές διεργασίες, επειδή η ανατομία, η γενετική και οι συμπεριφορές τους είναι καλά κατανοητές.

Καινοτόμες τεχνικές στη χαρτογράφηση του εγκεφάλου και την οπτογενετική
Το σκουλήκι έχει μήκος περίπου ένα χιλιοστό και βρίσκεται σε πολλά περιβάλλοντα πλούσια σε βακτήρια. Ιδιαίτερα σχετικό με την τρέχουσα μελέτη είναι το γεγονός ότι ο οργανισμός έχει ένα νευρικό σύστημα μόνο 302 νευρώνων σε ολόκληρο το σώμα του, 188 από τους οποίους βρίσκονται στον εγκέφαλό του.

«Αντίθετα, ένας ανθρώπινος εγκέφαλος έχει εκατοντάδες δισεκατομμύρια νευρώνες», είπε ο Leifer. «Λοιπόν, αυτά τα σκουλήκια είναι πολύ πιο απλά στη μελέτη. Στην πραγματικότητα, αυτά τα σκουλήκια είναι εξαιρετικά για πειραματισμούς, επειδή επιτυγχάνουν ακριβώς τη σωστή ισορροπία μεταξύ απλότητας και πολυπλοκότητας».

Είναι σημαντικό, πρόσθεσε ο Leifer, ότι ο C. elegans ήταν ο πρώτος οργανισμός στον οποίο η καλωδίωση του εγκεφάλου του ήταν πλήρως «χαρτογραφημένη». Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες έχουν συντάξει ένα περιεκτικό διάγραμμα, ή «χάρτη» όλων των νευρώνων και των συνάψεών του – τα μέρη όπου οι νευρώνες συνδέονται φυσικά και επικοινωνούν με άλλους νευρώνες. Αυτό το πεδίο προσπάθειας ονομάζεται «connectomics», στη γλώσσα της νευροεπιστήμης, και ένα διάγραμμα ενός περιεκτικού χάρτη των νευρικών συνδέσεων στον εγκέφαλο ενός οργανισμού είναι γνωστό ως «connectome». Ένας από τους κύριους στόχους της Connectomics είναι η ανακάλυψη συγκεκριμένων νευρικών συνδέσεων που είναι υπεύθυνες για συγκεκριμένες συμπεριφορές.

Νευρώνες σκουληκιών

Ένα επιπλέον πλεονέκτημα στη χρήση του C. elegans σε εργαστηριακά πειράματα είναι ότι το σκουλήκι είναι διαφανές και, σε ορισμένες περιπτώσεις, ο ιστός του έχει κατασκευαστεί γενετικά ώστε να είναι ευαίσθητος στο φως. Αυτός ο τομέας έρευνας είναι γνωστός ως «οπτογενετική» και έχει φέρει επανάσταση σε πολλές πτυχές του πειραματισμού στη βιολογική νευροεπιστήμη. Αντί για το πιο συμβατικό σύστημα χρήσης ενός ηλεκτροδίου για την παροχή ρεύματος σε έναν νευρώνα και με αυτόν τον τρόπο την διέγερση μιας απόκρισης, η οπτογενετική τεχνική περιλαμβάνει τη χρήση φωτοευαίσθητων πρωτεϊνών από ορισμένους οργανισμούς και την εμφύτευση αυτών των κυττάρων σε άλλον οργανισμό, έτσι ώστε οι ερευνητές να μπορούν να ελέγχουν τη συμπεριφορά ενός οργανισμού χρησιμοποιώντας φωτεινά σήματα.

Ομοίως, άλλες πρωτεΐνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ανάψουν και έτσι να αναφέρουν όταν ένας νευρώνας δίνει σήμα σε έναν άλλο. Αυτό σημαίνει δύο σημαντικά πράγματα για εργαστηριακό πειραματισμό: ότι ένας οργανισμός θα ανταποκριθεί στην παρουσία φωτός και ότι ένας νευρώνας, μόλις λάβει ένα σήμα από έναν άλλο νευρώνα, θα «ανάψει». Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να μελετήσουν οπτικά την αλληλεπίδραση των νευρώνων.

“Αυτό που είναι πραγματικά ισχυρό για αυτό το εργαλείο είναι ότι μπορείτε κυριολεκτικά να ενεργοποιήσετε τους νευρώνες και να τους παρακολουθήσετε να σηματοδοτούν σε πραγματικό χρόνο”, δήλωσε ο Leifer. «Ουσιαστικά, μπορούμε να μετατρέψουμε το πρόβλημα της μέτρησης και του χειρισμού της νευρικής δραστηριότητας σε ένα πρόβλημα συλλογής και παροχής του σωστού φωτός στο σωστό μέρος τη σωστή στιγμή».

Αυτά τα οπτικά εργαλεία επέτρεψαν στην ομάδα του Leifer να ξεκινήσει το επίπονο έργο της κατανόησης του τρόπου με τον οποίο οι πληροφορίες ρέουν μέσω του εγκεφάλου του σκουληκιού. Ο στόχος ήταν να κατανοήσουμε πώς τα σήματα ρέουν απευθείας μέσω ολόκληρου του εγκεφάλου του σκουληκιού, επομένως κάθε νευρώνας έπρεπε να μετρηθεί. Αυτό περιελάμβανε την απομόνωση ενός νευρώνα τη φορά, τη λάμψη φωτός σε αυτόν, έτσι ώστε να «ενεργοποιηθεί» και στη συνέχεια να παρατηρηθεί πώς ανταποκρίθηκαν οι άλλοι νευρώνες.

«Για αυτό το πείραμα, περάσαμε έναν νευρώνα τη φορά σε ολόκληρο τον εγκέφαλο, ενεργοποιώντας ή διαταράσσοντας κάθε νευρώνα και στη συνέχεια παρακολουθώντας ολόκληρο το δίκτυο να ανταποκρίνεται», είπε ο Leifer. «Με αυτόν τον τρόπο, μπορέσαμε να χαρτογραφήσουμε πώς τα σήματα έρεαν μέσω του δικτύου».

«Αυτή ήταν μια προσέγγιση που δεν είχε γίνει ποτέ πριν σε κλίμακα ολόκληρου του εγκεφάλου», πρόσθεσε ο Leifer.

Συνολικά, ο Leifer και η ομάδα του πραγματοποίησαν σχεδόν 10.000 ερεθίσματα μετρώντας πάνω από 23.000 ζεύγη νευρώνων και τις αποκρίσεις τους, μια εργασία που χρειάστηκε επτά χρόνια από τη σύλληψη μέχρι την ολοκλήρωση.

Πρόκληση καθιερωμένων μοντέλων και εισαγωγή νέων πληροφοριών

Η έρευνα που διεξήχθη από τον Leifer και την ομάδα του είναι μέχρι στιγμής η πιο ολοκληρωμένη περιγραφή του τρόπου με τον οποίο τα σήματα ρέουν μέσω του εγκεφάλου. Για τους επιστήμονες που μελετούν το C. elegans , οι ερευνητές παρείχαν πολλές πληροφορίες για το πώς λειτουργούν συγκεκριμένα σήματα στον εγκέφαλο του σκουληκιού και ελπίζουν ότι αυτή η έρευνα θα προσφέρει μια πληθώρα νέων πληροφοριών που θα βοηθήσουν στην προώθηση της βασικής έρευνας.

Ένα εξίσου σημαντικό εύρημα ήταν ότι ένας αριθμός από τις εμπειρικές παρατηρήσεις που έκανε ο Leifer και η ομάδα του κατά τη διάρκεια του πειράματος συχνά έρχονται σε αντίθεση με τις προβλέψεις της συμπεριφοράς των σκουληκιών που βασίζονται σε μαθηματικά μοντέλα που προέρχονται από τον χάρτη σύνδεσης του σκουληκιού.

«Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι, σε πολλές περιπτώσεις, πολλές μοριακές λεπτομέρειες που δεν μπορείτε να δείτε από το διάγραμμα καλωδίωσης είναι πραγματικά πολύ σημαντικές για την πρόβλεψη του πώς θα ανταποκριθεί το δίκτυο», είπε ο Leifer.

Οι ερευνητές προτείνουν ότι υπάρχει μια μορφή σηματοδότησης – μέρος των «μοριακών λεπτομερειών που δεν μπορείτε να δείτε» – που δεν προχωρά κατά μήκος των νευρικών καλωδίων. Ο Λέιφερ και η ομάδα του τα χαρακτήρισαν ως «ασύρματα σήματα». Αν και η ασύρματη σηματοδότηση είναι πολύ γνωστή στους νευροεπιστήμονες, έχει υποτιμηθεί σε μεγάλο βαθμό για τη μελέτη της νευρωνικής δυναμικής, επειδή συχνά θεωρούνταν ότι είναι μια διαδικασία που συμβαίνει πολύ αργά. Η ασύρματη σηματοδότηση είναι μια μορφή σηματοδότησης μέσω της οποίας ένας νευρώνας απελευθερώνει μόρια, που ονομάζονται νευροπεπτίδια, στον εξωκυτταρικό χώρο ή «εξωκυτταρικό περιβάλλον» μεταξύ των νευρώνων. Αυτές οι χημικές ουσίες διαχέονται και συνδέονται με άλλους νευρώνες ακόμα κι αν δεν υπάρχει φυσική σύνδεση μεταξύ τους.

Τέλος, οι ερευνητές πιστεύουν ότι ένας σημαντικός αντίκτυπος της δουλειάς τους είναι ότι επιτρέπει σε άλλους νευροεπιστήμονες που μελετούν αυτό και παρόμοια φαινόμενα να αναπτύξουν καλύτερα μοντέλα με τα οποία να κατανοούν τον εγκέφαλο ως σύστημα.

«Με την έρευνά μας, προσφέραμε ένα πολύ σημαντικό κομμάτι του παζλ που έλειπε», είπε ο Leifer.

Δείτε ΕΔΩ τη δημοσίευση στο περιοδικό Nature.

(photo: pixabay)