Στο «Rich Club» του Brain, Meetings of the Mind
Για να στείλετε με επιτυχία ένα μήνυμα κειμένου, ο εγκέφαλός σας πρέπει να συνθέσει τη διατύπωση και να συντονίσει το επιδέξιο χτύπημα των αντίχειρών σας κατά τον έλεγχο για τυπογραφικά λάθη. Η επίλυση ενός απλού προβλήματος άλγεβρας περιλαμβάνει τον οπτικό φλοιό - για την επεξεργασία των συμβόλων - και τα μέρη του εγκεφάλου που χρησιμοποιούνται για υπολογισμούς και βραχυπρόθεσμη μνήμη. Και η οδήγηση, η καλύτερη εκτέλεση χωρίς γραπτά μηνύματα, απαιτεί συνδυασμό οπτικών, απτικών και χωρικών δεδομένων. Πώς επικοινωνούν και συντονίζουν οι διάφορες περιοχές του εγκεφάλου τις προσπάθειές τους για να ολοκληρώσουν αυτές τις εργασίες; Οι νευροεπιστήμονες αγωνίζονται εδώ και καιρό να κατανοήσουν την ικανότητα του εγκεφάλου να συνθέτει το πρωινό ενός σκύλου με αισθητηριακές εισροές και γνωστικές διεργασίες.
Ωστόσο, ένας αυξανόμενος όγκος στοιχείων υποδηλώνει ότι υπάρχει ένα δίκτυο εξαιρετικά αλληλένδετων περιοχών του εγκεφάλου που θα μπορούσε να αποδειχθεί απαραίτητο για τη διευκόλυνση εργασιών υψηλότερης τάξης. Αυτή η συλλογή από πολύ συνδεδεμένους κόμβους έχει ονομαστεί το δίκτυο "πλούσιων συλλόγων" επειδή μοιάζει με ομάδες ατόμων καλά συνδεδεμένων, όπως οργανώσεις αποφοίτων του Ivy League, που βοηθούν άλλους να συναντηθούν και να ανταλλάξουν πληροφορίες.
Εντός του εγκεφάλου, οι ερευνητές «νομίζουν ότι οι πλούσιοι σύλλογοι διαδραματίζουν βασικό ρόλο στην αποτελεσματική παγκόσμια επικοινωνία και είναι επίσης σημαντικές για την υποστήριξη της ενοποίησης των πληροφοριών», δήλωσε ο Olaf Sporns, ένας υπολογιστικός νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα στο Μπλούμινγκτον. Το Sporns περιέγραψε για πρώτη φορά το πλούσιο κλαμπ στον εγκέφαλο, μαζί με τον συνεργάτη Martijn van den Heuvel, νευροεπιστήμονα στο Κέντρο Εγκεφάλου Rudolf Magnus στην Ολλανδία.
Ο Sporns και άλλοι ελπίζουν ότι η μελέτη του πλούσιου κλαμπ θα βοηθήσει στην επίλυση μιας από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στη νευροεπιστήμη:τη σύνδεση της δομής του εγκεφάλου με τη λειτουργία του. Παρόλο που το καθένα μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνολογίες, οι προσπάθειες συνδυασμού δομικών και λειτουργικών πληροφοριών έχουν αποδειχθεί αόριστες.
«Είναι απολύτως σχετικό να γνωρίζουμε όσα περισσότερα μπορούμε για την τοπολογία της υποκείμενης δομής για να κατανοήσουμε τη λειτουργία», δήλωσε ο Gustavo Deco, νευροεπιστήμονας στο Universitat Pompeu Fabra στη Βαρκελώνη, Ισπανία.
Ένας λόγος που οι επιστήμονες έλκονται από το δίκτυο νευρωνικών συλλόγων είναι ότι φαίνεται να παραβιάζει μία από τις αρχές οργάνωσης του εγκεφάλου - να ελαχιστοποιήσει το κόστος της καλωδίωσης. Ο εγκέφαλος φαίνεται να ευνοεί τις σύντομες συνδέσεις που μεταφέρουν γρήγορα μηνύματα και καταλαμβάνουν λίγο από τον πολύτιμο όγκο και το υλικό καλωδίωσης του εγκεφάλου. Το διάγραμμα συνδεσμολογίας του μικροσκοπικού σκουληκιού C. elegans ακολουθεί αυτόν τον κανόνα αρκετά πιστά. Και στους εγκεφάλους των θηλαστικών, οι σύντομες συνδέσεις είναι πολύ πιο συχνές από τις μακριές. Αλλά τόσο για τα σκουλήκια όσο και για τους ανθρώπους, το πλούσιο δίκτυο λεσχών είναι μια σπάνια και δαπανηρή εξαίρεση, υποδηλώνοντας σημαντικό ρόλο στη νευρική λειτουργία.
"Αυτό είναι ένα συστατικό υψηλού κόστους του εγκεφάλου που μπορεί να είναι πολύτιμο για την υποστήριξη υψηλού επιπέδου και πιο γνωστικά προηγμένων μορφών επεξεργασίας πληροφοριών", δήλωσε ο Ed Bullmore, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ στην Αγγλία που μελετά επίσης τον σύλλογο πλούσιου. "Είναι απίθανο ο εγκέφαλος να εφαρμόσει ένα τόσο συνδεδεμένο δίκτυο χωρίς καλό λόγο."
Μορφή και λειτουργία
Στον εγκέφαλο, το πλούσιο κλαμπ είναι παρόμοιο με το σύστημα αυτοκινητοδρόμων, το οποίο αντιπροσωπεύει μόνο ένα μικρό ποσοστό των επιφανειακών δρόμων, αλλά ένα πολύ μεγαλύτερο ποσοστό όλων των ταξιδιών. Το νευρικό πλούσιο κλαμπ αποτελεί «ένα μικρό κομμάτι του συνολικού μήκους καλωδίωσης του εγκεφάλου, αλλά μεταφέρει μια τεράστια ποσότητα ροής πληροφοριών», είπε ο van den Heuvel.
Οι συνδέσεις μεταξύ εμπλουτισμένων κόμβων λεσχών είναι ανατομικά μεγάλες αλλά τοπολογικά σύντομες, που σημαίνει ότι ένας κόμβος συνδέεται με οποιονδήποτε άλλο μόνο με έναν ή δύο ενδιάμεσους κόμβους. Ο Van den Heuvel είπε ότι αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει ταχύτερη και λιγότερο θορυβώδη επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων.
Ο Sporns και ο van den Heuvel όρισαν αρχικά το πλούσιο κλαμπ αναλύοντας ανατομικά δεδομένα που συγκεντρώθηκαν από εικόνες της λευκής ουσίας του εγκεφάλου. Σε έναν υπολογιστή, χώρισαν τον εγκέφαλο σε διαφορετικές περιοχές και τον παρουσίασαν ως δίκτυο, με κάθε περιοχή ως κόμβο και τις νευρικές συνδέσεις ως συνδέσμους μεταξύ τους. Χρησιμοποιώντας μια μαθηματική προσέγγιση που ονομάζεται θεωρία γραφημάτων για να αναλύσουν τις ιδιότητες του δικτύου, εντόπισαν 12 εξαιρετικά διασυνδεδεμένους κόμβους, τους οποίους ονόμασαν το rich club. Αυτό το κεντρικό δίκτυο ήταν πιο διασυνδεδεμένο από τον υπόλοιπο εγκέφαλο και συνδεδεμένο με σχεδόν κάθε άλλη περιοχή του εγκεφάλου. Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή αποκάλυψαν ότι η ζημιά στο πλούσιο κλαμπ διέκοψε το συνολικό δίκτυο περισσότερο από ότι η ζημιά σε άλλες περιοχές.
Ένα μεγάλο ερώτημα που προέκυψε από τη μελέτη είναι πώς το πλούσιο δίκτυο συλλόγων, βάσει ανατομικών δεδομένων, αντιστοιχεί στη λειτουργία του εγκεφάλου. Οι επιστήμονες ενδιαφέρθηκαν ιδιαίτερα να μάθουν εάν το πλούσιο κλαμπ αντιστοιχούσε στα λεγόμενα λειτουργικά δίκτυα, τα οποία έχουν χαρτογραφηθεί χρησιμοποιώντας δεδομένα από λειτουργική απεικόνιση του εγκεφάλου. Οι επιστήμονες αναζητούν συσχετισμένα πρότυπα εγκεφαλικής δραστηριότητας όταν ένα άτομο είναι σε ηρεμία ή κάνει μια συγκεκριμένη γνωστική εργασία. Παρά τις μυριάδες μελέτες σε αυτά τα λειτουργικά δίκτυα, οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη καθορίσει τις υποκείμενες φυσικές δομές.
Ο Sporns και ο van den Heuvel ξεκίνησαν να εξετάσουν τη σχέση μεταξύ δομής και λειτουργίας με μία από τις μεγαλύτερες μέχρι σήμερα μελέτες που συγκρίνει τόσο δομικά όσο και λειτουργικά δεδομένα απεικόνισης από τα ίδια άτομα. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Journal of Neuroscience τον Σεπτέμβριο, δείχνουν ότι το πλούσιο δίκτυο λεσχών στον ανθρώπινο εγκέφαλο επικαλύπτει πολλά από τα λειτουργικά δίκτυα που έχουν χαρτογραφηθεί μέχρι σήμερα.
Ο Van den Heuvel είπε ότι τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι δεν υπάρχει μια απλή γραμμική σχέση μεταξύ δομής και λειτουργίας. Αντίθετα, «η ανατομία απλώς ορίζει τα όρια στα οποία μπορούν να πραγματοποιηθούν οι λειτουργικές διαμορφώσεις του εγκεφάλου», είπε. Για παράδειγμα, όταν κάποιος αλλάζει γρήγορα εργασίες, ας πούμε από την ανάγνωση email έως την απάντηση στο τηλέφωνο, ο εγκέφαλος αλλάζει γρήγορα λειτουργικές καταστάσεις, οι οποίες θα μπορούσαν να περιοριστούν από το πλούσιο δίκτυο συλλόγων.
Τα ευρήματα είναι σημαντικά επειδή παρέχουν στοιχεία που μπορεί να «μας λένε μέρη για να κοιτάξουμε στον εγκέφαλο που είναι πιο πιθανό να είναι τοποθεσίες πραγματικού ενδιαφέροντος, μέρη όπου όταν συμβαίνει κάτι, θα μπορούσε να έχει πιο καταστροφικές συνέπειες για τη λειτουργία του εγκεφάλου», είπε ο Michael. Hawrylycz, διευθυντής της Ομάδας Μοντελοποίησης, Ανάλυσης και Θεωρίας στο Ινστιτούτο Άλεν για την Επιστήμη του Εγκεφάλου στο Σιάτλ. Η απώλεια ενός σημαντικού κόμβου αεροδρομίου όπως το O'Hare στο Σικάγο, για παράδειγμα, θα είχε μεγαλύτερο συνολικό αντίκτυπο στο σύστημα εναέριας κυκλοφορίας από το κλείσιμο του διεθνούς αεροδρομίου Hector στο Fargo, N.D.
Μια δεύτερη μελέτη, που δημοσιεύθηκε νωρίτερα αυτό το έτος από τον Bullmore και τους συνεργάτες του, ακολούθησε διαφορετική προσέγγιση στη σύνδεση του πλούσιου κλαμπ με λειτουργικά δίκτυα. Οι ερευνητές συγκέντρωσαν δεδομένα εγκεφαλικής δραστηριότητας από περισσότερα από 1.200 άτομα που εκτελούσαν μια ποικιλία εργασιών. Ο Bullmore είπε ότι οι πλούσιοι κόμβοι της λέσχης ήταν πιο πιθανό να εμπλέκονται σε υψηλότερης τάξης γνωστικές λειτουργίες όπως η δράση και η γνώση. "Προσθέτει ένα άλλο κομμάτι δεδομένων προς υποστήριξη του γενικού επιχειρήματος ότι το πλούσιο κλαμπ είναι ακριβό επειδή είναι λειτουργικά πολύτιμο", είπε.
Γάτες και σκουλήκια
Τον Απρίλιο, ο Bullmore και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν μια ανάλυση μιας πλούσιας λέσχης στο μικροσκοπικό στρογγυλό σκουλήκι C. elegans, το δημοφιλές πρότυπο οργανισμό του οποίου ολόκληρο το σύνολο των νευρωνικών συνδέσεων, που ονομάζεται connectome, έχει χαρτογραφηθεί. "Είναι τόσο κοντά σε ένα κανονικό διάγραμμα καλωδίωσης χρυσού προτύπου που έχουμε στη νευροεπιστήμη μέχρι τώρα", είπε ο Bullmore.
Αφού εντόπισαν 11 νευρώνες που ανήκαν στη λέσχη των πλουσίων στο C. elegans, οι ερευνητές ανακάλυψαν αξιοσημείωτες ομοιότητες στην πλούσια λέσχη του ανθρώπινου εγκεφάλου, είπε ο Bullmore. Κάθε νευρώνας στο C. elegans έχει καταγεγραμμένο χρόνο γέννησης και λειτουργίας, επιτρέποντας στους ερευνητές να εξερευνήσουν τόσο πώς αναπτύσσεται το πλούσιο κλαμπ όσο και τι κάνει. Όπως και άλλες μελέτες δικτύου του εγκεφάλου, η ομάδα του Bullmore χρησιμοποίησε τη θεωρία γραφημάτων για να χαρτογραφήσει το πλούσιο κλαμπ. «Αποδείχθηκε ότι οι νευρώνες που προσδιορίσαμε με αυτήν την καθαρά μαθηματική ανάλυση είναι γνωστοί ως ενδονευρώνες εντολών, οι οποίοι παίζουν ρόλο στη συντονισμένη κίνηση του νευρικού συστήματος», είπε ο Bullmore. Τα σκουλήκια δεν μπορούν να κινηθούν μέχρι να αναπτυχθεί πλήρως το πλούσιο κλαμπ.
Αν και δεν είναι τόσο πλήρες όσο το διάγραμμα C. elegans, ένας χάρτης καλωδίωσης του πολύ πιο περίπλοκου φλοιού της γάτας δημιουργήθηκε το 1995. Ένα από τα οφέλη της μελέτης του εγκεφάλου της γάτας, είπε ο van den Heuvel, είναι ότι οι επιστήμονες έχουν εκτεταμένα δεδομένα από φυσιολογικά πειράματα στη λειτουργία συγκεκριμένων περιοχών του εγκεφάλου. Σε μια νέα ανάλυση των δεδομένων σύνδεσης της γάτας, ο van den Heuvel και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Marcel de Reus διαπίστωσαν ότι το δίκτυο πλούσιας λέσχης βοηθά στη σύνδεση των κύριων λειτουργικών δικτύων - οπτικό, ακουστικό, σωματοκινητικό και μετωπικό - που είχαν οριστεί στον εγκέφαλο της γάτας. Πράγματι, το 90 τοις εκατό των μηνυμάτων που περνούν σε αυτές τις περιοχές φαίνεται να περνούν από το πλούσιο κλαμπ. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν στο Journal of Neuroscience τον Αύγουστο.
Στη γάτα, οι επιστήμονες γνωρίζουν επίσης την κατεύθυνση προς την οποία οι νευρώνες σε έναν κόμβο στέλνουν πληροφορίες σε έναν άλλο. «Αυτό σας επιτρέπει να χαρτογραφήσετε τη θεωρητική ροή πληροφοριών μεταξύ περιοχών στον φλοιό της γάτας», είπε ο van den Heuvel. Το πλούσιο κλαμπ έχει περισσότερες αμοιβαίες συνδέσεις, δηλαδή κόμβους που στέλνουν πληροφορίες και προς τις δύο κατευθύνσεις, από άλλα δίκτυα. «Ίσως αυτό δημιουργεί μια υποδομή με υψηλό επίπεδο ευελιξίας αντί για ένα δίκτυο διαχωρισμένων μονάδων», είπε ο van den Heuvel. Απαιτείται περισσότερη έρευνα για να διερευνηθεί εάν αυτή η δομή είναι όντως πιο ευέλικτη.
Το γεγονός ότι οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει πλούσια δίκτυα συλλόγων σε ανθρώπους, γάτες, σκουλήκια και άλλα είδη υποδηλώνει ότι είναι βασικό χαρακτηριστικό του εγκεφάλου. "Ίσως το πλούσιο κλαμπ είναι ένα γενικό χαρακτηριστικό του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσονται τα νευρικά συστήματα", είπε ο van den Heuvel.
Η ποικιλία των ζώων με πλούσια δίκτυα συλλόγων υποδηλώνει επίσης ότι το δίκτυο δεν είναι ένα τεχνούργημα της απεικόνισης του ανθρώπινου εγκεφάλου - μια ανησυχία που εγείρεται από τους επικριτές. Αν και οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν δεδομένα απεικόνισης του εγκεφάλου για να δημιουργήσουν λεπτομερείς εικόνες του ανθρώπινου εγκεφάλου, αυτές οι εικόνες είναι έμμεσες - οι δομικοί χάρτες που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση της πλούσιας λέσχης χρησιμοποιούν τη διάχυση μορίων νερού ως υποκατάστατο για τη νευρωνική καλωδίωση, για παράδειγμα - και επομένως υπόκεινται σε πειραματικές προκαταλήψεις. (Οι χάρτες διάχυσης μπορεί να είναι καλύτεροι στην ανίχνευση ορισμένων ειδών καλωδίωσης από άλλους.) «Δεν έχουμε τέλεια μέτρηση της δομής ή της λειτουργίας του εγκεφάλου στους ανθρώπους, επομένως υπάρχει πάντα μια ερώτηση στο μυαλό μου:Σε ποιο βαθμό είναι οι ιδιότητες του δικτύου βλέπουμε πραγματικά εκεί στις μελέτες ανθρώπινης απεικόνισης;» είπε ο Μπουλμορ. Ωστόσο, η χρήση πιο άμεσων τεχνικών ανατομικής ανίχνευσης σε μελέτες άλλων ζώων ήταν σύμφωνη με τα ευρήματα σε ανθρώπους.
Rich Club σε αταξία
Πλούσια κλαμπ έχουν ανακαλυφθεί σε πολλά διασυνδεδεμένα συστήματα, όπως το Διαδίκτυο, τα κοινωνικά δίκτυα και τα πρότυπα πτήσεων. Μια πρόσφατη μελέτη διαπίστωσε ότι μια ομάδα φοιτητών κολεγίου που άρχισαν να αλληλεπιδρούν έντονα την πρώτη εβδομάδα του μαθήματος και συνέχισαν να ανταλλάσσουν πληροφορίες καθ' όλη τη διάρκεια του εξαμήνου - κυρίως μεταξύ τους - είχαν καλύτερες επιδόσεις από τους άλλους στην τάξη. Αυτοί οι μαθητές, χωρίς να το καταλάβουν, είχαν δημιουργήσει έναν πλούσιο σύλλογο και καρπώθηκαν τα οφέλη του.
Τι συμβαίνει όμως όταν το πλούσιο δίκτυο συλλόγων του εγκεφάλου είναι ελαττωματικό; Αν και η απάντηση είναι ακόμα ασαφής, τα προκαταρκτικά στοιχεία υποδηλώνουν μια σύνδεση μεταξύ ανωμαλιών στο rich club και νευροαναπτυξιακών διαταραχών όπως η σχιζοφρένεια, για τις οποίες ήταν δύσκολο να εντοπιστούν αναπαραγώγιμα ελαττώματα στον εγκέφαλο χρησιμοποιώντας τυπική απεικόνιση εγκεφάλου. "Παρά το γεγονός ότι είναι τόσο καταστροφικό, το τι είναι πραγματικά διαφορετικό στον εγκέφαλο ενός ατόμου με σχιζοφρένεια είναι μια πολύ πιο λεπτή ερώτηση", είπε ο Sporns.
Η αναζήτηση ελαττωμάτων στη λέσχη των πλούσιων και η εξέταση άλλων μέτρων δικτύου, όπως ο αριθμός και η δομή των συνδέσεων, δείχνει νωρίς μια υπόσχεση για να φωτίσει τη διαταραχή. Σύμφωνα με έρευνα που δημοσιεύτηκε στο JAMA Psychiatry τον Αύγουστο, οι Sporns και van den Heuvel διαπίστωσαν ότι τα άτομα με σχιζοφρένεια τείνουν να έχουν πιο λεπτές και λιγότερο καλά ανεπτυγμένες συνδέσεις μεταξύ των περιοχών του κόμβου από ό,τι οι άνθρωποι χωρίς τη διαταραχή, αλλά οι συνδέσεις τους που συνδέουν τους περιφερειακούς κόμβους ήταν λιγότερο ελαττωματικές ή χωρίς προβλήματα. . Σε μια ξεχωριστή μελέτη, συγκριτικά, τα άτομα με κινητική διαταραχή αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση παρουσίασαν διαφορές στη συνδεσιμότητα του δικτύου κινητήρα. Οι ερευνητές εξετάζουν τώρα το πλούσιο δίκτυο συλλόγων σε άτομα με νόσο Αλτσχάιμερ.
«Δεδομένου ότι το πλούσιο κλαμπ έχει υψηλό κόστος και υψηλή αξία, είναι πιθανό να είναι ιδιαίτερα ευάλωτο σε ασθένειες», είπε ο Bullmore, η ομάδα του οποίου μελετά τώρα την ανάπτυξη του πλούσιου κλαμπ στα νευρικά συστήματα και τις παθολογικές επιπτώσεις όταν διαταράσσεται.
Ωστόσο, χρειάζεται περισσότερη δουλειά για να γίνει κατανοητή η σχέση μεταξύ της ζημιάς στον πλούσιο σύλλογο και της ασθένειας. Για παράδειγμα, δεν είναι σαφές εάν οι πιο λεπτές συνδέσεις προκαλούν τη διαταραχή ή είναι προϊόν σχιζοφρένειας. Τελικά, οι επιστήμονες θα πρέπει να είναι σε θέση να διαταράξουν το πλούσιο δίκτυο συλλόγων σε οργανισμούς-μοντέλους, όπως τρωκτικά, μύγες ή σκουλήκια, και να μετρήσουν εάν τα ζώα πάσχουν από βλάβες που μοιάζουν με σχιζοφρένεια.
Πέρα από τη μελέτη του ρόλου του πλούσιου συλλόγου στις ασθένειες, το Sporns και οι συνεργάτες του ελπίζουν να καθορίσουν καλύτερα πώς το δίκτυο ποικίλλει μεταξύ των ανθρώπων. Μέρος της προσπάθειάς τους θα επικεντρωθεί σε δεδομένα από το Human Connectome Project, μια προσπάθεια χαρτογράφησης νευρωνικών συνδέσεων και δραστηριότητας από περισσότερα από 1.000 άτομα και τη διάθεση αυτών των δεδομένων στο κοινό. Ο Sporns είπε ότι οι ερευνητές προσπαθούν να απαντήσουν σε ερωτήματα όπως εάν υπάρχουν κληρονομικές διαφορές στη δομή του πλούσιου κλαμπ και εάν αυτές οι δομές αλλάζουν κατά τη διάρκεια της ζωής ενός ατόμου.
Τελικά, η λέσχη πλούσιων είναι μόνο ένα μέρος ενός πολύπλοκου δικτύου, επομένως οι επιστήμονες ελπίζουν επίσης να καταλάβουν πώς η λέσχη πλούσιων ταιριάζει στο ευρύτερο δίκτυο του εγκεφάλου, κάτι που θα είναι απαραίτητο για την κατανόηση του ρόλου της στην ενσωμάτωση. «Αυτό που πραγματικά πρέπει να καταλάβουμε», είπε ο Bullmore, «είναι η δομή των εγκεφαλικών δικτύων στο σύνολό τους.»
