Νέοι εγκεφαλικοί χάρτες μπορούν να προβλέψουν συμπεριφορές

Το περασμένο καλοκαίρι μια ομάδα νευροεπιστημόνων του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ και μηχανικών της Google κυκλοφόρησαν το πρώτο διάγραμμα καλωδίωσης ενός τμήματος του ανθρώπινου εγκεφάλου. Ο ιστός, περίπου στο μέγεθος μιας κεφαλής καρφίτσας, είχε διατηρηθεί, χρωματίστηκε με βαρέα μέταλλα, κόπηκε σε 5.000 φέτες και απεικονίστηκε σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Αυτό το κυβικό χιλιοστό ιστού αντιστοιχεί μόνο στο ένα εκατομμύριο του συνόλου του ανθρώπινου εγκεφάλου. Ωστόσο, το τεράστιο θησαυροφυλάκιο δεδομένων που το απεικονίζουν περιλαμβάνει εικόνες μικροσκοπίας με φωτεινά χρώματα, αξίας 1,4 petabyte, νευρικών κυττάρων, αιμοφόρων αγγείων και πολλά άλλα.

«Είναι σαν να ανακαλύπτεις μια νέα ήπειρο», είπε ο Jeff Lichtman του Χάρβαρντ, ο ανώτερος συγγραφέας της εργασίας που παρουσίασε αυτά τα αποτελέσματα. Περιέγραψε ένα θηριοτροφείο με περίεργα χαρακτηριστικά που η ομάδα του είχε ήδη εντοπίσει στον ανθρώπινο ιστό, συμπεριλαμβανομένων νέων τύπων κυττάρων που δεν έχουν δει ποτέ σε άλλα ζώα, όπως νευρώνες με άξονες που κουλουριάζονται και σπειροειδώς ο ένας πάνω στον άλλο και νευρώνες με δύο άξονες αντί για έναν . Αυτά τα ευρήματα απλώς χάραξαν την επιφάνεια:Η πλήρης αναζήτηση του δείγματος, είπε, θα ήταν μια εργασία παρόμοια με την οδήγηση κάθε δρόμου στη Βόρεια Αμερική.

Ο Lichtman πέρασε την καριέρα του δημιουργώντας και μελετώντας αυτά τα είδη νευρωνικών διαγραμμάτων καλωδίωσης, ή connectomes - περιεκτικούς χάρτες όλων των νευρωνικών συνδέσεων σε ένα μέρος ή το σύνολο ενός ζωντανού εγκεφάλου. Επειδή ένα σύνδεσμος στηρίζει όλη τη νευρική δραστηριότητα που σχετίζεται με έναν όγκο εγκεφαλικής ύλης, είναι το κλειδί για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο ξενιστής του σκέφτεται, αισθάνεται, κινείται, θυμάται, αντιλαμβάνεται και πολλά άλλα.

Ωστόσο, μην περιμένετε ένα πλήρες διάγραμμα καλωδίωσης για έναν ανθρώπινο εγκέφαλο σύντομα, επειδή είναι τεχνικά ανέφικτο:ο Lichtman επισημαίνει ότι το zettabyte των δεδομένων που εμπλέκονται θα ισοδυναμούσε με ένα σημαντικό κομμάτι του αποθηκευμένου περιεχομένου όλου του κόσμου σήμερα. Στην πραγματικότητα, το μόνο είδος για το οποίο υπάρχει ακόμη ολοκληρωμένη σύνδεση είναι το Caenorhabditis elegans , το ταπεινό στρογγυλό σκουλήκι.

Παρόλα αυτά, οι μάζες των δεδομένων σύνδεσης που έχουν συγκεντρώσει οι επιστήμονες από σκουλήκια, μύγες, ποντίκια και ανθρώπους έχουν ήδη μια ισχυρή επίδραση στη νευροεπιστήμη. Και επειδή οι τεχνικές για τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου γίνονται πιο γρήγορες, ο Lichtman και άλλοι ερευνητές είναι ενθουσιασμένοι που η μεγάλης κλίμακας συνδενομική — χαρτογράφηση και σύγκριση των εγκεφάλων πολλών ατόμων ενός είδους — γίνεται επιτέλους πραγματικότητα.

Τα βιολογικά άτομα τυπικά ποικίλλουν τόσο πολύ με τόσους πολλούς τρόπους που οι επιστήμονες πρέπει να εξετάσουν τις ποικιλίες τους για να βγάλουν συμπεράσματα. Η μεγάλης κλίμακας συνδετομική θα μπορούσε να δώσει στη νευροεπιστήμη την ίδια τεράστια ώθηση που έφερε η γρήγορη, απλή αλληλουχία γονιδιώματος στη γονιδιωματική.

Πρόσφατη εργασία με το C. elegans έχει αποδείξει τη δύναμη της συνδενομικής μεγάλης κλίμακας. Ένα πείραμα έδειξε ότι μερικές φορές είναι δυνατό για τους επιστήμονες να προβλέψουν τη συμπεριφορά ενός ζώου από τη γνώση του συνδετικού του σώματος. Ένας άλλος υπαινίχθηκε κανόνες που διέπουν τη σύνδεση των νευρώνων σε κυκλώματα εργασίας. Αυτές οι επιτυχίες, ωστόσο, υπογραμμίζουν επίσης πόσο μακριά χρειάζεται ακόμα να φτάσει η συνδενομική μεγάλης κλίμακας για να μπορέσει να αντιμετωπίσει πολύ πιο περίπλοκα πλάσματα. Οι ερευνητές είναι επίσης προσεκτικοί σχετικά με τους ενσωματωμένους περιορισμούς σε ό,τι μπορεί να μας πει η connectomics.

Πρόβλεψη συμπεριφορών από συνδέσεις

Πριν από περίπου 35 χρόνια, ολοκληρώθηκε το πρώτο διάγραμμα καλωδίωσης πλήρους εγκεφάλου για το στρογγυλό σκουλήκι. Για την εποχή του, η προσπάθεια ήταν ηρωική, παρόλο που το ζώο έχει μόνο 302 νευρώνες στον εγκέφαλό του. Πραγματοποιήθηκε μέσω της επίπονης διαδικασίας σχεδίασης των νευρωνικών συνδέσεων με το χέρι σε εκτυπώσεις εικόνων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Χρειάστηκαν περισσότερα από 15 χρόνια για να ολοκληρωθεί.

Σήμερα, η πρόοδος στην τεχνολογία απεικόνισης επαυξημένη από την τεχνητή νοημοσύνη δίνει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να ολοκληρώσουν ένα μόνο C. elegans εγκεφάλου σε περίπου ένα μήνα. Οι νευροεπιστήμονες μπορούν να χαρτογραφήσουν πολλά σκουλήκια για ένα μόνο πείραμα για να κάνουν συγκρίσεις μεταξύ ατόμων με διαφορετικά χαρακτηριστικά ή σε διαφορετικά στάδια της ζωής. Επικαλύπτουν τη λειτουργική απεικόνιση στους χάρτες για να μάθουν πώς ενεργοποιείται το δίκτυο των συνδέσεων κατά τη διάρκεια πολύπλοκων συμπεριφορών.

Αυτή η προσέγγιση οδηγεί σε εντυπωσιακή πρόοδο στην κατανόηση αυτών των ζώων. Σε μια αναφορά στο Κελί που δημοσιεύθηκε τον Σεπτέμβριο, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το worm connectome για να περιγράψουν μια από τις πιο περίπλοκες συμπεριφορές στον φυσικό κόσμο:το σεξ. Χρησιμοποιώντας βίντεο και απεικόνιση ασβεστίου - που μετρά και εντοπίζει τη δραστηριότητα στα εγκεφαλικά κύτταρα - κατέγραψαν C. elegans κατά την πράξη του ζευγαρώματος. Τα βίντεο έδειχναν τα σκουλήκια να γλιστρούν το ένα γύρω από το άλλο με οφιοειδή μοτίβα, ενώ λευκό φως από φθορίζουσες πρωτεΐνες που υποδηλώνει νευρωνική δραστηριότητα αναβοσβήνει κατά μήκος των λεπτών σωμάτων τους.

Οι επιστήμονες αναλύουν τις σύνθετες συμπεριφορές ζευγαρώματος σε υποκατηγορίες όπως η αναζήτηση συντρόφου, η σύζευξη και η ανάπαυση. Στη συνέχεια χαρτογράφησαν τις νευρωνικές δραστηριότητες στο συνδετικό κύκλωμα σκουληκιών για να αναγνωρίσουν τους μηχανισμούς του εγκεφάλου που επεξεργάζονται πληροφορίες από το περιβάλλον κατά το ζευγάρωμα. Ο χάρτης της εγκεφαλικής δραστηριότητας που προέκυψε ήταν τόσο έντονος και συνεπής μεταξύ των οκτώ σκουληκιών που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη που μπορούσαν να τον χρησιμοποιήσουν για να προβλέψουν τη συμπεριφορά ενός ένατου σκουληκιού, εξήγησε ο Vladislav Susoy, νευροεπιστήμονας και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

Έτσι οι επιστήμονες αποφάσισαν να δοκιμάσουν πειραματικά την κατανόησή τους. Λαμβάνοντας ένα νέο σκουλήκι, εξάλειψαν ακριβώς έναν από τους πέντε νευρώνες που εμπλέκονται σε μια κίνηση που ονομάζεται «στροφή», στην οποία το σκουλήκι τυλίγεται γύρω από το σύντροφό του λίγο πριν τη σύζευξη. Χωρίς αυτόν τον νευρώνα, το σκουλήκι έχασε την ικανότητά του να γυρίζει. «Ήταν πραγματικά εντυπωσιακό το πόσο σαφής ήταν η σύνδεση», είπε η Σούσοι.

Ο Florian Engert, ένας νευροεπιστήμονας του Χάρβαρντ που εργάζεται σε έναν εγκεφαλικό χάρτη του ψαριού ζέβρα, ενός άλλου ευρέως χρησιμοποιούμενου είδους εργαστηρίου, που ονομάζεται C. elegans χαρτί "ένα ορόσημο" στο πεδίο για τη χρήση του connectome για τη δημιουργία πληροφοριών σχετικά με μια σύνθετη συμπεριφορά. Το connectome "γίνεται ένας κρίσιμος πόρος", είπε.

"Ο τρόπος με τον οποίο ολόκληρο το πεδίο θέλει να χρησιμοποιήσει τώρα τη συνδενομική είναι ως εργαλείο και βάση δεδομένων για τη διερεύνηση του τρόπου λειτουργίας των νευρωνικών κυκλωμάτων", δήλωσε ο Gregor Schuhknecht, νευροεπιστήμονας και μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο εργαστήριο του Engert.

Αλλά εκτός από την εξήγηση των θεμελίων των συμπεριφορών, οι μελέτες συνδετομικής μπορούν επίσης να αποκαλύψουν λεπτές λεπτομέρειες σχετικά με το πώς αυτές οι συμπεριφορές συνδέονται με τον εγκέφαλο.

Για παράδειγμα, είναι γνωστό εδώ και αρκετό καιρό ότι στο C. elegans , οι συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων αναδιοργανώνονται δραματικά μεταξύ γέννησης και ενηλικίωσης. Για να κατανοήσετε πώς αλλάζει ο εγκέφαλος κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης, σε μια πρόσφατη εργασία στο Nature , τα εργαστήρια του Mei Zhen στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Lunenfeld-Tanenbaum του Mount Sinai Hospital στο Τορόντο και ο Aravinthan D.T. Samuel και ο Lichtman στο Χάρβαρντ συνέκριναν τις συνδέσεις οκτώ γενετικά πανομοιότυπων στρογγυλών σκουληκιών που κυμαίνονται μεταξύ προνυμφών και ενήλικων σταδίων.

Το πιο ενδιαφέρον εύρημα της μελέτης, σύμφωνα με τον πρώτο συγγραφέα Daniel Witvliet, ήταν ότι παρόλο που τα σκουλήκια ήταν γενετικά πανομοιότυπα, έως και το 40% των συνδέσεων μεταξύ των νευρικών κυττάρων στον εγκέφαλό τους διέφεραν. Επιπλέον, οι συνδέσεις που διέφεραν μεταξύ των ατόμων ήταν πιο αδύναμες από αυτές που ήταν παρόμοιες. Οι ισχυρότερες συνδέσεις που περιείχαν 100 συνάψεις ή περισσότερες ήταν συνεπείς σε πολλούς οργανισμούς.

Για τους Witvliet και Lichtman, αυτό το εύρημα δείχνει τη δύναμη των συγκρίσεων εγκεφαλικών χαρτών μαζικά. "Δεν μπορείτε απλώς να πείτε, "Έχουμε χαρτογραφήσει το σύνδεσμο τύπου worm", επειδή κάθε σύνδεσμος είναι ελαφρώς διαφορετικός", είπε ο Witvliet.

Ο Lichtman λέει ότι το εύρημα δείχνει την ύπαρξη δύο κατηγοριών συνδέσεων:των μεταβλητών και των συνεπών. Εάν αποδειχθεί ότι τα ζώα κάνουν πιο συνεπείς συνδέσεις για να υποστηρίξουν τη νευρική δραστηριότητα που είναι απαραίτητη για την επιβίωση, τότε πιστεύει ότι το επίπεδο διακύμανσης στις συνδέσεις θα μπορούσε να γίνει ένας σημαντικός δείκτης για σημαντικά χαρακτηριστικά στο σύνδεσμο.

"Εάν έχετε πολλαπλούς συνδέσμους, τα λειτουργικά σημαντικά μέρη μπορεί να βγουν από αυτή τη θάλασσα της τυχαιότητας", είπε ο Lichtman. Ελπίζει ότι στο μέλλον, η connectomics θα αναλύει τακτικά τους εγκεφάλους πολλών ατόμων, συγκρίνοντας υγιή και ανθυγιεινά ζώα, μικρά και μεγάλα, κ.λπ. "Νομίζω ότι εκεί θα πάνε τα πράγματα όταν η χαρτογράφηση του εγκεφάλου γίνει ρουτίνα."

Το «n της Νευροεπιστήμης του 1” Πρόβλημα

Ωστόσο, θα είναι πιο εύκολο να ειπωθεί παρά να γίνει η συνδεσιμότητα μεγάλης κλίμακας ως ρουτίνα. Ο τομέας της συνδετομικής εξακολουθεί να υποφέρει από αυτό που ο Lichtman αποκαλεί «n του προβλήματος 1":Ακόμη και με όλες τις πρόσφατες βελτιώσεις στην τεχνολογία νευρωνικής χαρτογράφησης, η δημιουργία διαγραμμάτων της καλωδίωσης του εγκεφάλου ακόμη και ενός ατόμου, ειδικά σε ένα είδος πιο πολύπλοκο από ένα σκουλήκι, δεν είναι μια εργασία που πρέπει να γίνει επιπόλαια.

Ο συνάδελφός του Samuel, συγγραφέας με τη Susoy του χαρτιού για το ζευγάρωμα σκουληκιών, συμφωνεί. «Τείνω να σκέφτομαι τη συνδενομική στα περισσότερα περιβάλλοντα όπως οι αποστολές του Έβερεστ», είπε ο Samuel. "Το κάνεις μια φορά και λες ότι τελείωσες."

Αυτή η πρόκληση αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό μειονέκτημα για την έρευνα, ιδιαίτερα σε περίπλοκα πλάσματα. Όταν ο Lichtman και οι συνεργάτες του χαρτογράφησαν το απόσπασμα του ανθρώπινου εγκεφάλου, για παράδειγμα, δεν είχαν ιδέα εάν τα περίεργα πράγματα που είδαν ήταν φυσιολογικά ή μεμονωμένα λόγω της μοναδικής ιστορίας και της γενετικής σύνθεσης του ατόμου. Εάν μπορούσαν να χαρτογραφήσουν ισοδύναμα δείγματα από 100 ανθρώπινους εγκεφάλους, τότε θα είχαν κάποια σαφήνεια σε αυτά τα άγνωστα, αλλά με 1,4 petabyte ανά εγκέφαλο, αυτό είναι απίθανο να συμβεί σύντομα.

Εντούτοις, η Connectomics σημειώνει σημαντική πρόοδο ακόμα και εκεί που δεν μπορεί ακόμη να είναι μεγάλης κλίμακας και όπου υπάρχουν μόνο μερικές συνδέσεις. Εργαστείτε στη μύγα, Drosophila melanogaster , είναι ιδιαίτερα μακριά, τόσο στην προνύμφη (η οποία έχει περίπου 10.000 νευρώνες) όσο και στον ενήλικα (με περίπου 135.000 νευρώνες). Πέρυσι, ερευνητές στην ερευνητική πανεπιστημιούπολη Janelia του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes κυκλοφόρησαν μια σύνδεση «ημιεγκεφάλου» σε επίπεδο συνάψεων που χαρτογράφησε πολλά σημαντικά κέντρα ελέγχου στον εγκέφαλο της μύγας. Αυτό οδήγησε σε μια σημαντική ανακοίνωση τον Οκτώβριο, όταν οι νευροεπιστήμονες αποκάλυψαν δεκάδες νέους τύπους νευρώνων και κυκλώματα που φαίνεται να βοηθούν στην πλοήγηση με μύγες. Το έργο χαιρετίστηκε ως σημαντικό ορόσημο για την αποκάλυψη του τρόπου με τον οποίο οι μύγες ενσωματώνουν αισθητηριακές πληροφορίες και τις μεταφράζουν σε δράση.

Μπορεί επίσης να έχει μεγάλη αξία η δυνατότητα σύγκρισης των γονιδιωμάτων διαφορετικών ειδών, ακόμα κι αν κάθε ένα από τα συνδετικά τους στοιχεία είναι ουσιαστικά εφάπαξ. Τον Ιούλιο, μια συνεργασία νευροεπιστημόνων από το Allen Institute for Brain Research, το Πανεπιστήμιο Princeton και το Baylor College of Medicine κυκλοφόρησε ένα σύνολο δεδομένων που περιέχει τις λεπτές δομές και τη συνδεσιμότητα 200.000 εγκεφαλικών κυττάρων στον οπτικό νεοφλοιό του ποντικιού. Το έργο χρειάστηκε πέντε χρόνια για να ολοκληρωθεί και αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων σε ποντίκια μέχρι σήμερα.

Αυτό είναι απλώς μια αρχή για ολόκληρο τον εγκέφαλο, αλλά ακόμη και αυτό σημαίνει ότι για πρώτη φορά, οι ερευνητές μπορούν να συγκρίνουν μέρη των συνδέσμων δύο θηλαστικών - ποντικών και ανθρώπων. Όταν γίνει διαθέσιμος σύνδεσμος για το ψάρι ζέβρα, θα είναι δυνατό να δούμε τρία διαφορετικά σπονδυλωτά.

Τι δεν μπορούν να κάνουν οι συνδέσεις

Οι επιτυχίες της Connectomics μπορεί να είναι γλυκόπικρες. Για πολλά χρόνια, μια κεντρική κριτική της κονεκτομικής ήταν ότι δεν επαρκεί να εξηγήσει πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος. Παρόλο που είχα έναν χάρτη του εγκεφάλου του C. elegans Για δεκαετίες, οι επιστήμονες εξακολουθούν να αγωνίζονται να βγάλουν ουσιαστικά συμπεράσματα σχετικά με τις νευρικές λειτουργίες του. Για τον Lichtman, η ανάλυση της φαινομενικά απεριόριστης διασυνδεσιμότητας πιο περίπλοκων εγκεφάλων είναι μια πρόκληση που δοκιμάζει τα όρια της ανθρώπινης και της τεχνητής νοημοσύνης.

Ένας άλλος περιορισμός του connectome είναι ότι δεν μας λέει τίποτα για την ποιότητα των συνδέσεων:αν είναι ισχυρές ή αδύναμες. Απλώς μας λέει ότι υπάρχει σύνδεση. "Εάν έχετε 20 συνδέσεις μεταξύ δύο νευρώνων, αλλά είναι όλοι εξαιρετικά αδύναμοι", είπε ο Engert, "τότε πρέπει να το ξέρετε εάν θέλετε να μάθετε πώς ρέουν οι πληροφορίες μέσω του εγκεφάλου."

Οι νευροεπιστήμονες έχουν συχνά υποθέσει ότι εάν ένας νευρώνας κάνει μια σύνδεση, πρέπει να κάνει τον νευρώνα που αγγίζει να κάνει κάτι. Αλλά δεν είναι κάθε σύνδεση σημαντική, επισημαίνει ο Lichtman, επειδή οι νευρώνες κάνουν χιλιάδες συνδέσεις με άλλους νευρώνες σε τεράστια δίκτυα γεμάτα πλεονασμούς και μονοπάτια με αλληλεπικαλυπτόμενες λειτουργίες. Αυτός είναι ο λόγος που κάποιος μπορεί να υποστεί ένα εγκεφαλικό επεισόδιο που εξαφανίζει χιλιάδες νευρώνες και να μην χάσει τις αναμνήσεις τους. "Υπάρχει ένας άπειρος αριθμός τρόπων που ο εγκέφαλος μπορεί να κάνει πράγματα", είπε ο Lichtman. "Και εικάζω ότι, σχεδόν σε κάθε περίπτωση, το νευρικό σύστημα σπάνια ακολουθεί τον απλούστερο δρόμο επειδή δεν έχει σχεδιαστεί για να είναι απλό."

Η Connectomics δεν μας λέει επίσης σχεδόν τίποτα για τις χημικές ουσίες του εγκεφάλου που ονομάζονται νευροδιαμορφωτές, οι οποίες κυκλοφορούν μέσω του υγρού που περιβάλλει τους νευρώνες, σε αντίθεση με τις χημικές ουσίες νευροδιαβιβαστών που απελευθερώνονται ακριβώς μέσα στις συναπτικές συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων. Αντιπροσωπεύουν έναν άλλο τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα στον εγκέφαλο επικοινωνούν μεταξύ τους.

Πολλά νευρωνικά κυκλώματα αλλάζουν τη συμπεριφορά τους παρουσία ενός νευροδιαμορφωτή, είπε ο Louis Scheffer, νευροεπιστήμονας και υπολογιστικός βιολόγος στην ερευνητική πανεπιστημιούπολη Janelia. Αναφέρει το παράδειγμα του στοματογαστρικού γαγγλίου, ενός κυκλώματος τριών μόλις νευρώνων σε αστακούς και καβούρια που ελέγχει τις ρυθμικές κινήσεις των μυών στο στομάχι τους. Οι επιστήμονες εντόπισαν περίπου 20 νευροδιαμορφωτές που κάνουν αυτό το γάγγλιο να αλλάξει το μοτίβο πυροδότησης του, γεγονός που καθιστά δύσκολο να εξαχθούν συγκεκριμένα συμπεράσματα σχετικά με το πόσο οι κινητικές λειτουργίες ορίζονται καθαρά από τις συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων. Ο Σέφερ αποκαλεί αυτό το νευρωνικό κύκλωμα "παιδί αφίσας" για το γιατί ένα συνδετικό από μόνο του δεν μπορεί να εξηγήσει τη λειτουργία του εγκεφάλου.

Ο Engert πιστεύει ότι υπάρχει ευρεία συμφωνία ότι το connectome δεν θα είναι αρκετό για την κατανόηση ενός εγκεφάλου. Ωστόσο, οι επιτυχίες μέχρι σήμερα των χαρτών καλωδίωσης του εγκεφάλου στην εξήγηση των συμπεριφορών σε στρογγυλά σκουλήκια και μύγες, είπε, δείχνουν ότι το συνδετικό στοιχείο «σίγουρα θα είναι πολύ χρήσιμο για την ενημέρωση της λειτουργίας και μπορεί ακόμη και να είναι απαραίτητο».