Νέοι εγκεφαλικοί χάρτες με απαράμιλλη λεπτομέρεια μπορεί να αλλάξουν τη νευροεπιστήμη

Καθισμένος στο γραφείο στο γραφείο του στην κάτω πανεπιστημιούπολη στο Cold Spring Harbor Laboratory, ο νευροεπιστήμονας Tony Zador έστρεψε την οθόνη του υπολογιστή του προς το μέρος μου για να επιδείξει ένα περίπλοκο γράφημα τύπου matrix. Φανταστείτε κάτι που μοιάζει με υπολογιστικό φύλλο, αλλά αντί για αριθμούς είναι γεμάτο με χρώματα διαφορετικών αποχρώσεων και διαβαθμίσεων. Επιπόλαια, είπε:«Όταν λέω στους ανθρώπους ότι κατάλαβα τη συνδεσιμότητα δεκάδων χιλιάδων νευρώνων και τους το δείχνω αυτό, απλώς πάνε «εε;» Αλλά όταν το δείχνω αυτό στους ανθρώπους…» Έκανε κλικ σε ένα κουμπί στην οθόνη και σε ένα διαφανές Το τρισδιάστατο μοντέλο του εγκεφάλου εμφανίστηκε, περιστρεφόμενο γύρω από τον άξονά του, γεμάτο με κόμβους και γραμμές πάρα πολλές για να μετρηθούν. «Πάνε «Τι το _____!»»

Αυτό που μου έδειξε ο Ζαντόρ ήταν ένας χάρτης με 50.000 νευρώνες στον εγκεφαλικό φλοιό ενός ποντικιού. Έδειχνε πού κάθονταν τα κυτταρικά σώματα κάθε νευρώνα και πού έστελναν τους μακρούς κλάδους του άξονα. Ένας νευρωνικός χάρτης αυτού του μεγέθους και λεπτομέρειας δεν έχει γίνει ποτέ πριν. Εγκαταλείποντας την παραδοσιακή μέθοδο χαρτογράφησης του εγκεφάλου που περιλαμβάνει τη σήμανση των νευρώνων με φθορισμό, ο Zador είχε υιοθετήσει μια ασυνήθιστη προσέγγιση που βασιζόταν στη μακρά παράδοση της έρευνας της μοριακής βιολογίας στο Cold Spring Harbor, στο Long Island. Χρησιμοποίησε κομμάτια γονιδιωματικών πληροφοριών για να εμποτίσει μια μοναδική αλληλουχία RNA ή «γραμμικό κώδικα» σε κάθε μεμονωμένο νευρώνα. Στη συνέχεια τεμάχισε τον εγκέφαλο σε κύβους σαν φύλλο κέικ και τροφοδότησε τα κομμάτια σε έναν προσδιοριστή αλληλουχίας DNA. Το αποτέλεσμα:μια τρισδιάστατη απόδοση 50.000 νευρώνων στον φλοιό του ποντικιού (με άλλους τόσους που θα προστεθούν σύντομα) χαρτογραφημένη με ανάλυση ενός κυττάρου.

Αυτό το έργο, το magnum opus του Zador, βρίσκεται ακόμα υπό επεξεργασία για δημοσίευση. Αλλά σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε πρόσφατα από το Nature , ο ίδιος και οι συνάδελφοί του έδειξαν ότι η τεχνική, που ονομάζεται MAPseq (Πολυπλεκτική Ανάλυση Προβολών με Αλληλουχία), μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εύρεση νέων τύπων κυττάρων και μοτίβων προβολής που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ πριν. Η εργασία έδειξε επίσης ότι αυτή η νέα μέθοδος χαρτογράφησης υψηλής απόδοσης είναι έντονα ανταγωνιστική σε ακρίβεια με την τεχνική φθορισμού, η οποία είναι το τρέχον πρότυπο χρυσού, αλλά λειτουργεί καλύτερα με μικρούς αριθμούς νευρώνων.

Το έργο γεννήθηκε από την απογοήτευση του Ζαντόρ κατά τη διάρκεια της «ημερήσιας δουλειάς» του ως νευροφυσιολόγος, όπως το ανέφερε ειρωνικά. Μελετά την ακουστική λήψη αποφάσεων σε τρωκτικά:πώς ο εγκέφαλός τους ακούει ήχους, επεξεργάζεται τις ηχητικές πληροφορίες και καθορίζει μια συμπεριφορά ή ενέργεια. Οι ηλεκτροφυσιολογικές καταγραφές και τα άλλα παραδοσιακά εργαλεία για την αντιμετώπιση τέτοιων ερωτημάτων άφησαν ανικανοποίητο τον μαθηματικά επιστήμονα. Το πρόβλημα, σύμφωνα με τον Zador, είναι ότι δεν καταλαβαίνουμε αρκετά για το κύκλωμα των νευρώνων, και αυτός είναι ο λόγος που επιδιώκει τη «δεύτερη δουλειά» του δημιουργώντας εργαλεία για την απεικόνιση του εγκεφάλου.

Η τρέχουσα κατάσταση της τέχνης για τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου ενσωματώνεται από τον Άτλαντα εγκεφάλου Allen, ο οποίος συντάχθηκε από εργασίες σε πολλά εργαστήρια για πολλά χρόνια με κόστος άνω των 25 εκατομμυρίων δολαρίων. Ο Άτλας Άλεν είναι αυτό που είναι γνωστό ως άτλαντας μαζικής συνδεσιμότητας επειδή εντοπίζει γνωστούς υποπληθυσμούς νευρώνων και τις προβολές τους ως ομάδες. Ήταν ιδιαίτερα χρήσιμο για τους ερευνητές, αλλά δεν μπορεί να διακρίνει ανεπαίσθητες διαφορές μεταξύ των ομάδων ή των υποπληθυσμών των νευρώνων.

Αν θέλουμε ποτέ να μάθουμε πώς ένα ποντίκι ακούει ένα ποντίκι με υψηλό τόνο, επεξεργάζεται ότι ο ήχος σημαίνει ότι είναι διαθέσιμη μια ανταμοιβή δροσιστικού ποτού και αφήνει νέες μνήμες για να ανακαλέσουμε τη λιχουδιά αργότερα, θα πρέπει να ξεκινήσουμε με έναν χάρτη ή ένα διάγραμμα καλωδίωσης για ο εγκέφαλος. Κατά την άποψη του Zador, η έλλειψη γνώσης σχετικά με αυτό το είδος νευρωνικών κυκλωμάτων ευθύνεται εν μέρει για το γιατί δεν έχει σημειωθεί περισσότερη πρόοδος στη θεραπεία ψυχιατρικών διαταραχών και γιατί η τεχνητή νοημοσύνη δεν είναι ακόμα τόσο έξυπνη.

Justus Kebschull, νευροεπιστήμονας του Πανεπιστημίου Stanford, συγγραφέας του νέου Nature χαρτί και ένας πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Ζαντόρ, παρατήρησε ότι το να κάνεις νευροεπιστήμη χωρίς να γνωρίζεις το κύκλωμα είναι σαν να «προσπαθούμε να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ένας υπολογιστής κοιτάζοντάς τον από έξω, κολλώντας ένα ηλεκτρόδιο μέσα και διερευνώντας τι μπορούμε να βρούμε. … Χωρίς να γνωρίζουμε ποτέ ότι ο σκληρός δίσκος είναι συνδεδεμένος στον επεξεργαστή και το USB pod παρέχει είσοδο σε ολόκληρο το σύστημα, είναι δύσκολο να καταλάβουμε τι συμβαίνει."

Η έμπνευση για το MAPseq χτύπησε τον Zador όταν έμαθε για μια άλλη τεχνική χαρτογράφησης του εγκεφάλου που ονομάζεται Brainbow. Προερχόμενη από το εργαστήριο του Jeff Lichtman στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, αυτή η μέθοδος ήταν αξιοσημείωτη στο ότι σημείωσε γενετικά έως και 200 ​​μεμονωμένους νευρώνες ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας διαφορετικούς συνδυασμούς φθορίζουσες χρωστικές. Τα αποτελέσματα ήταν ένα δελεαστικό, πολύχρωμο ταμπλό νευρώνων σε χρώμα νέον που εμφάνιζε, με λεπτομέρεια, τη σύνθετη ανάμειξη αξόνων και κυτταρικών σωμάτων νευρώνων. Το πρωτοποριακό έργο έδωσε ελπίδα ότι η χαρτογράφηση του connectome - το πλήρες σχέδιο των νευρωνικών συνδέσεων στον εγκέφαλο - θα γινόταν σύντομα πραγματικότητα. Δυστυχώς, ένας περιορισμός της τεχνικής στην πράξη είναι ότι μέσω ενός μικροσκοπίου, οι πειραματιστές μπορούσαν να επιλύσουν μόνο πέντε έως 10 διαφορετικά χρώματα, τα οποία δεν ήταν αρκετά για να διεισδύσουν στο κουβάρι των νευρώνων στον φλοιό και να χαρτογραφήσουν πολλούς νευρώνες ταυτόχρονα.

Τότε ήταν που η λάμπα άναψε στο κεφάλι του Ζαντόρ. Συνειδητοποίησε ότι η πρόκληση της τεράστιας πολυπλοκότητας του connectome θα μπορούσε να εξημερωθεί εάν οι ερευνητές μπορούσαν να εκμεταλλευτούν την αυξανόμενη ταχύτητα και το μειωμένο κόστος των τεχνικών γονιδιωματικής αλληλουχίας υψηλής απόδοσης. «Είναι αυτό που οι μαθηματικοί αποκαλούν την αναγωγή του σε ένα πρόβλημα που είχε λυθεί προηγουμένως», εξήγησε.

Στο MAPseq, οι ερευνητές κάνουν ένεση σε ένα ζώο με γενετικά τροποποιημένους ιούς που φέρουν μια ποικιλία από γνωστές αλληλουχίες RNA ή «γραμμωτούς κώδικες». Για μια εβδομάδα ή περισσότερο, οι ιοί πολλαπλασιάζονται μέσα στο ζώο, γεμίζοντας κάθε νευρώνα με κάποιο διακριτικό συνδυασμό αυτών των γραμμικών κωδίκων. Όταν οι ερευνητές κόψουν τον εγκέφαλο σε τμήματα, οι γραμμικοί κώδικες RNA μπορούν να τους βοηθήσουν να παρακολουθούν μεμονωμένους νευρώνες από διαφάνεια σε διαφάνεια.

Η διορατικότητα του Ζαντόρ οδήγησε στη νέα Φύση έγγραφο, στο οποίο το εργαστήριό του και μια ομάδα στο University College του Λονδίνου με επικεφαλής τον νευροεπιστήμονα Thomas Mrsic-Flogel χρησιμοποίησαν το MAPseq για να εντοπίσουν τις προβολές σχεδόν 600 νευρώνων στο οπτικό σύστημα του ποντικιού. (Σημείωση του συντάκτη:Ο Zador και η Mrsic-Flogel λαμβάνουν χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons, το οποίο εκδίδει το Quanta .)

Οι εξακόσιοι νευρώνες είναι μια μέτρια αρχή σε σύγκριση με τα δεκάδες εκατομμύρια στον εγκέφαλο ενός ποντικιού. Αλλά ήταν άφθονο για τον συγκεκριμένο σκοπό που είχαν στο μυαλό τους οι ερευνητές:Έψαχναν να διακρίνουν εάν υπάρχει μια δομή στο μοτίβο καλωδίωσης του εγκεφάλου που θα μπορούσε να είναι ενημερωτική για τη λειτουργία του. Μια επί του παρόντος δημοφιλής θεωρία είναι ότι στον οπτικό φλοιό, ένας μεμονωμένος νευρώνας συλλέγει ένα συγκεκριμένο κομμάτι πληροφοριών από το μάτι - για την άκρη ενός αντικειμένου στο οπτικό πεδίο ή έναν τύπο κίνησης ή χωρικού προσανατολισμού, για παράδειγμα. Στη συνέχεια, ο νευρώνας στέλνει ένα σήμα σε μια αντίστοιχη περιοχή του εγκεφάλου που ειδικεύεται στην επεξεργασία αυτού του τύπου πληροφοριών.

Για να δοκιμάσει αυτή τη θεωρία, η ομάδα χαρτογράφησε αρχικά μια χούφτα νευρώνων σε ποντίκια με τον παραδοσιακό τρόπο, εισάγοντας μια γενετικά κωδικοποιημένη φθορίζουσα χρωστική ουσία στα μεμονωμένα κύτταρα. Στη συνέχεια, με ένα μικροσκόπιο, εντόπισαν πώς τα κύτταρα εκτείνονται από τον πρωτεύοντα οπτικό φλοιό (την περιοχή του εγκεφάλου που λαμβάνει εισροή από τα μάτια) στα τελικά σημεία τους σε άλλα σημεία του εγκεφάλου. Διαπίστωσαν ότι οι άξονες των νευρώνων διακλαδώθηκαν και έστελναν πληροφορίες σε πολλές περιοχές ταυτόχρονα, ανατρέποντας τη θεωρία χαρτογράφησης ένας προς έναν.

Στη συνέχεια, ρώτησαν αν υπήρχαν μοτίβα σε αυτές τις προβολές. Χρησιμοποίησαν το MAPseq για να ανιχνεύσουν τις προβολές 591 νευρώνων καθώς διακλαδίζονταν και νεύρωναν πολλαπλούς στόχους. Αυτό που παρατήρησε η ομάδα ήταν ότι η κατανομή των αξόνων ήταν δομημένη:Μερικοί νευρώνες πάντα έστελναν άξονες στις περιοχές A, B και C, αλλά ποτέ στις D και E, για παράδειγμα.

Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι το οπτικό σύστημα περιέχει ένα ιλιγγιώδες επίπεδο διασυνδεσιμότητας και ότι το σχέδιο αυτών των συνδέσεων είναι πιο περίπλοκο από μια χαρτογράφηση ένας προς έναν. «Οι υψηλότερες οπτικές περιοχές δεν λαμβάνουν απλώς πληροφορίες που είναι ειδικά προσαρμοσμένες σε αυτές», είπε ο Kebschull. Αντίθετα, μοιράζονται πολλές από τις ίδιες εισροές, "έτσι οι υπολογισμοί τους μπορεί να συνδέονται μεταξύ τους."

Ωστόσο, το γεγονός ότι ορισμένα κύτταρα προβάλλουν σε συγκεκριμένες περιοχές σημαίνει επίσης ότι μέσα στον οπτικό φλοιό υπάρχουν εξειδικευμένα κύτταρα που δεν έχουν ακόμη εντοπιστεί. Ο Kebschull είπε ότι αυτός ο χάρτης είναι σαν ένα προσχέδιο που θα επιτρέψει σε μεταγενέστερους ερευνητές να καταλάβουν τι κάνουν αυτά τα κύτταρα. «Το MAPseq σάς επιτρέπει να χαρτογραφήσετε το υλικό. … Μόλις γνωρίσουμε το υλικό, μπορούμε να αρχίσουμε να εξετάζουμε το λογισμικό ή πώς γίνονται οι υπολογισμοί», είπε.

Το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα του MAPseq σε ταχύτητα και κόστος για τέτοιες έρευνες είναι σημαντικό:Σύμφωνα με τον Zador, η τεχνική θα πρέπει να μπορεί να κλιμακωθεί έως και να χειριστεί 100.000 νευρώνες μέσα σε μία ή δύο εβδομάδες για μόνο 10.000 $ — πολύ πιο γρήγορα από την παραδοσιακή χαρτογράφηση, σε ένα κλάσμα του το κόστος.

Τέτοια πλεονεκτήματα θα κάνουν πιο εφικτή τη χαρτογράφηση και τη σύγκριση των νευρικών οδών μεγάλου αριθμού εγκεφάλων. Οι μελέτες καταστάσεων όπως η σχιζοφρένεια και ο αυτισμός που πιστεύεται ότι προκύπτουν από διαφορές στην καλωδίωση του εγκεφάλου έχουν συχνά απογοητεύσει τους ερευνητές επειδή τα διαθέσιμα εργαλεία δεν καταγράφουν αρκετές λεπτομέρειες των νευρωνικών διασυνδέσεων. Είναι κατανοητό ότι οι ερευνητές θα μπορούν να χαρτογραφήσουν μοντέλα ποντικιών αυτών των καταστάσεων και να τα συγκρίνουν με πιο τυπικούς εγκεφάλους, πυροδοτώντας νέους γύρους έρευνας. «Πολλές ψυχιατρικές διαταραχές προκαλούνται από προβλήματα σε επίπεδο κυκλώματος», δήλωσε ο Hongkui Zeng, εκτελεστικός διευθυντής του τμήματος δομημένης επιστήμης στο Allen Institute for Brain Science. "Οι πληροφορίες σύνδεσης θα σας πουν πού να κοιτάξετε."

Η χαρτογράφηση υψηλής απόδοσης επιτρέπει επίσης στους επιστήμονες να συγκεντρώσουν πολλά νευρολογικά δεδομένα και να αναζητήσουν μοτίβα που αντικατοπτρίζουν γενικές αρχές του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου. «Αυτό που κάνει ο Tony είναι να κοιτάζει τον εγκέφαλο με αμερόληπτο τρόπο», δήλωσε ο Sreekanth Chalasani, μοριακός νευροβιολόγος στο Ινστιτούτο Salk. "Ακριβώς όπως ο χάρτης του ανθρώπινου γονιδιώματος έχει παράσχει ένα ικρίωμα για τη δοκιμή υποθέσεων και την αναζήτηση μοτίβων στην ακολουθία και τη λειτουργία [γονιδίων], η μέθοδος του Tony θα μπορούσε να κάνει το ίδιο" για την αρχιτεκτονική του εγκεφάλου.

Ο λεπτομερής χάρτης του ανθρώπινου γονιδιώματος δεν εξήγησε αμέσως όλα τα μυστήρια για το πώς λειτουργεί η βιολογία, αλλά παρείχε μια λίστα βιομοριακών μερών και άνοιξε το δρόμο για μια πλημμύρα μεταμορφωτικής έρευνας. Ομοίως, στην παρούσα κατάσταση ανάπτυξής του, το MAPseq δεν μπορεί να παρέχει καμία πληροφορία σχετικά με τη λειτουργία ή τη θέση των κελιών που επισημαίνει ή να δείξει ποια κελιά συνομιλούν μεταξύ τους. Ωστόσο, ο Zador σχεδιάζει να προσθέσει αυτήν τη λειτουργία σύντομα. Επίσης, συνεργάζεται με επιστήμονες που μελετούν διάφορα μέρη του εγκεφάλου, όπως τα νευρωνικά κυκλώματα που αποτελούν τη βάση της προετοιμασίας του φόβου.

«Νομίζω ότι υπάρχουν γνώσεις που πρέπει να προκύψουν από τη συνδεσιμότητα. Αλλά ακριβώς όπως τα ίδια τα γονιδιώματα δεν είναι ενδιαφέροντα, αυτό που επιτρέπουν είναι μετασχηματιστικό. Και γι' αυτό είμαι ενθουσιασμένος», είπε ο Ζαντόρ. "Ελπίζω ότι θα προσφέρει τη σκαλωσιά για την επόμενη γενιά εργασίας στον τομέα."

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο Wired.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .