Creierul este cel mai complex organ al corpului uman şi, probabil, cea mai complexă reţea neuronală cunoscută. În multe privinţe, este mai puternic decât orice computer creat de om, însă, în cea mai mare parte, oamenii de ştiinţă încă nu-i înţeleg procesele de funcţionare de bază. Pentru prima dată, cercetătorii au reuşit să finalizeze cartografierea întregului creier al unei muşte de fructe adulte (Drosophila melanogaster). Cercetarea dezvăluie cea mai completă hartă a unui creier, inclusiv detalii microscopice de la 140.000 de neuroni, milioane de conexiuni cu alte celule ale creierului şi descoperirea de noi celule nervoase.
Pentru multe boli devastatoare ale creierului precum demenţa, Parkinson, Alzheimer şi altele, medicii pot trata doar simptomele. Ştiinţa medicală nu are un leac.
De ce? Pentru că este dificil să se poată vindeca ceea ce nu înţelegem, iar creierul uman, cu miliardele sale de neuroni conectaţi de o sută de trilioane de sinapse, este aproape imposibil de complex.
„FlyWire”, o echipă de oameni de ştiinţă şi de cercetători condusă de Princeton, a făcut acum un pas uriaş spre înţelegerea creierului uman prin construirea unui atlas cerebral, o hartă neuron cu neuron şi sinapsă cu sinapsă - în termeni ştiinţifici, un «conectom» - prin creierul unei muşte de fructe adulte (Drosophila melanogaster).
Grupul FlyWire cuprinde membri din peste 146 de laboratoare din 122 de instituţii de cercetare, cu contribuţii majore din partea echipelor de la Universitatea din Cambridge şi Universitatea din Vermont.
Oamenii de ştiinţă au reuşit astfel să creeze prima hartă a fiecărui neuron din creierul unei muşte de fructe adulte. Modelul 3D, care conţine 140.000 de neuroni şi peste 50 de milioane de conexiuni, reprezintă un prim pas către cartografierea unor creiere mai mari, pentru a înţelege cum funcţionează creierul uman.
Atlasul a fost construită pe baza a 21 de milioane de imagini ale creierului de muscă de fructe, peste 139.000 de neuroni şi 54,5 milioane de sinapse, realizate de o echipă de oameni de ştiinţă.
„Conectomul” muştelor de fructe este explicat în nouă articole de cercetare publicate într-un număr special al revistei Nature.
„Orice creier pe care îl înţelegem cu adevărat ne spune ceva despre toate creierele”, a declarat Sebastian Seung, specialist în neuroştiinţe la universitatea americană Princeton şi profesor de informatică. „Cu schema electrică a creierului muştelor, avem potenţialul unor cunoştinţe fără precedent, detaliate şi profunde”.
Imaginea arată connectomul complet al muştelor de fructe: toate cele 139.255 de celule cerebrale din creierul unei muşte de fructe adulte. (Credit: Tyler Sloan / FlyWire / Universitatea Princeton, 2 octombrie 2024)
Cercetătorii au creat cu succes prima diagramă completă a cablurilor sau conectomul creierului unei muşte adulte, dezvăluind peste 139.000 de neuroni şi milioane de conexiuni sinaptice. Ei au identificat căile pe care le urmează semnalele senzoriale, cum ar fi vederea şi mirosul, în timp ce se deplasează de la neuronii senzoriali la neuronii motori, care controlează comportamentul.
De asemenea, cercetătorii au cartografiat diferite tipuri de neuroni în funcţie de rolul lor, cum ar fi neuroni senzoriali, motori şi interneuroni, şi au constatat că mulţi neuroni din creierul muştelor comunică între emisfere.
În mod important, ei au arătat cum cablarea diferitelor regiuni ale creierului permite funcţii complexe precum mişcarea, memoria şi integrarea senzorială.
Anterior, cercetătorii au cartografiat creierul unui vierme C. elegans, cu cei 302 neuroni ai săi, şi creierul unei larve de muscă de fructe, care avea 3.000 de neuroni, însă musca de fructe adultă este cu câteva ordine de mărime mai complexă, cu aproape 140.000 de neuroni şi zeci de milioane de sinapse care îi conectează.
„Aceasta este o realizare majoră”, spune Mala Murthy, profesor de neuroştiinţe la Princeton şi director al Institutului de Neuroştiinţe Princeton, într-un comunicat.
„Nu există niciun alt conectom cerebral complet pentru un animal adult de o asemenea complexitate”, a precizat ea.
Creierul uman este cel mai complex organ al corpului uman şi, probabil, cea mai complexă reţea neuronală cunoscută.
„În multe privinţe, este mai puternic decât orice computer creat de om, însă, în cea mai mare parte, încă nu îi înţelegem logica de bază”, a precizat John Ngai, director al Iniţiativei BRAIN a Institutului Naţional de Sănătate din Statele Unite, care a finanţat parţial acest proiect.
„Fără o înţelegere detaliată a modului în care neuronii se conectează între ei, nu vom avea cunoştinţele de bază necesare pentru a înţelege ce merge bine într-un creier sănătos sau ce merge prost în caz de boală", a specificat el.
Cartografierea unui creier întreg (de muscă): Un pas spre înţelegerea bolilor creierului uman, Credit: Universităţile Princeton (Statele Uniute) şi Cambridge (Marea Britanie), 2 octombrie 2024.
La rândul său, echipa de cercetare de la Universitatea Cambridge, din Marea Britanie, afirmă că această primă schemă electrică a creierului complet al unei muşte de fructe oferă noi perspective asupra conexiunilor cerebrale care controlează percepţiile senzoriale, memoria şi chiar ritualurile de împerechere ale unei muşte.
Înţelegerea circuitelor neuronale îi va ajuta pe oamenii de ştiinţă să înţeleagă creiere mult mai complexe, inclusiv creierul uman. Aceste creaturi au comun 60% din ADN-ul uman şi versiuni înrudite ale majorităţii bolilor genetice umane.
Existenţa unei hărţi complete a unui creier care prezintă similitudini cu creierul uman ar putea ajuta la descifrarea celor o sută de trilioane de conexiuni cerebrale care sunt modificate în bolile neurodegenerative precum Parkinson şi Alzheimer.
„Dacă vrem să înţelegem cum funcţionează creierul, avem nevoie de o înţelegere mecanică a modului în care toţi neuronii se potrivesc între ei şi ne permit să gândim. Pentru majoritatea creierelor nu avem nicio idee despre cum funcţionează aceste reţele”, a indicat Gregory Jefferis, neurocercetător la Universitatea Cambridge şi unul dintre liderii cercetării, într-un comunicat.
Muştele pot face tot felul de lucruri complicate, cum ar fi să meargă, să zboare, să navigheze, iar masculii le cântă femelelor.
Diagramele de cablare a creierului sunt un prim pas către înţelegerea a tot ceea ce ne interesează şi anume: cum controlăm mişcarea, cum răspundem la telefon sau cum recunoaştem un prieten, a adăugat el.
Modelele 3D au fost realizate pornind de la creierul unei muşte moarte, feliat în 7.000 de secţiuni separate de 40 nanometri, şi folosind microscopia electronică de înaltă rezoluţie. Un creier întreg de musculiţă de fructe are mai puţin de un milimetru lăţime.
Cercetătorii spun că examinarea creierului acesteia i-a ajutat să descopere asemănări substanţiale cu eşantioanele anterioare la scară mai mică a creierului unei musculiţe de fructe şi să ajungă la concluzia că fiecare creier nu este o structură unică.
Cercetătorii au analizat 100 de terabytes (TB) de imagini, memoria a aproximativ 100 de laptopuri obişnuite, pentru a cartografia cei 140.000 de neuroni şi peste 50 de milioane de conexiuni.
Conform echipei, inteligenţa artificială (AI) a ajutat la procesarea imaginilor secţiunilor, altfel ar fi fost nevoie de circa 4.000 de ani umani pentru a le produce altfel.
De asemenea, echipa a beneficiat de ajutorul a peste 280 de cercetători din întreaga lume pentru a corecta datele.
„Această hartă a creierului, cea mai mare de până acum, a fost posibilă doar datorită progreselor tehnice care nu păreau posibile acum zece ani. Este o adevărată dovadă a modului în care inovarea poate stimula cercetarea”, a declarat Marta Costa, cercetător la Universitatea din Cambridge.
În creierul unei muşte de fructe, semnalele (văzute aici în roz) circulă de-a lungul neuronilor (albaştri) prin intermediul multora dintre aceiaşi neurotransmiţători întâlniţi la oameni, inclusiv dopamina, glutamatul şi acetilcolina.
Imagine animată dintr-un videoclip realizat de Davi Bock / Janelia / HHMI
„Primul pas” către o mai bună înţelegere a creierului
Cercetătorii spun că harta creierului întreg al muştei de fructe este un prim pas cheie pentru a cartografia creiere mai mari.
„În viitor, sperăm că va fi posibil să comparăm ceea ce se întâmplă atunci când lucrurile merg prost în creierul uman, de exemplu în condiţiile de sănătate mintală”, a precizat Mala Murthy, şefă de cercetare de la Universitatea Princeton.
Întreaga bază de date este disponibilă gratuit tuturor cercetătorilor, în speranţa unei mai bune înţelegeri a modului în care funcţionează un creier sănătos.
Cu toate acestea, realizarea unei scheme electrice a creierului uman nu se va întâmpla prea curând.
Un creier uman este mult mai complicat decât creierul unei musculiţe de fructe şi oamenii de ştiinţă sunt încă departe de a putea încerca această performanţă.
„Există o diferenţă de un milion de ori în ceea ce priveşte neuronii între creierul de muscukiţă de fructe şi creierul uman. Şi, de fapt, volumul creierului acestora, care este destul de important pentru imagistica şi prelucrarea imaginilor pentru a genera aceste hărţi ale creierului, este chiar puţin mai mare”, a precizat Jefferis.
Cercetătorii se pregătesc acum să treacă la cartografierea creierului unor mamifere cu creierul mai mare, cum sunt şoarecii.
Limitările studiului
Deşi studiul oferă o hartă detaliată a creierului musculiţelor adulte de fructe, există şi unele limitări. În primul rând, conectomul provine de la o singură muscă individuală, iar variabilitatea individuală în structura creierului poate să nu fie surprinsă pe deplin. În plus, atlasul se concentrează pe sinapsele chimice, excluzând sinapsele electrice care ar putea juca, de asemenea, un rol în funcţionarea creierului.
O altă limitare este că, deşi conectomul arată care neuroni sunt conectaţi, nu arată în mod direct cât de puternic sau frecvent comunică aceşti neuroni, ceea ce ar putea avea un impact asupra înţelegerii comportamentului. În cele din urmă, deoarece procesul de reconstrucţie a implicat unele instrumente automate de inteligenţă artificială, există posibilitatea unor erori minore în segmentarea neuronilor sau în identificarea sinapselor.
De ce îi interesează pe oamenii de ştiinţă musculiţele de fructe?
- Creierul musculiţelor de fructe rezolvă multe dintre problemele pe care le rezolvă şi oamenii, inclusiv cum să navigheze din punctul A în punctul B, să detecteze mirosurile din natură şi să determine în ce direcţie se deplasează obiectele din mediul lor.
- Musculiţele împărtăşesc 60% din ADN-ul uman, inclusiv gene pentru învăţare, sindromul Down şi diferenţa de fus orar (jet lag).
- Trei din patru boli genetice umane au similitudini în muştele de fructe.
- Cercetarea în domeniul musculiţelor de fructe este responsabilă pentru şase premii Nobel, inclusiv unul pentru Medicină sau Fiziologie câştigat de Eric Wieschaus de la Princeton, în 1995, împreună cu alţi doi oameni de ştiinţă „pentru descoperirile lor privind controlul genetic al dezvoltării embrionare timpurii”. Ei au folosit ca sistem experimental musca de fructe, Drosophila melanogaster. Acest organism este clasic în genetică. Principiile găsite la musca de fructe se aplică şi organismelor superioare, inclusiv omului.
- Muştele de fructe îmbătrânesc la fel ca oamenii, se pot îmbăta, pot fi ţinute treze cu cafea şi pot cânta serenade intereselor lor romantice.
- NASA a trimis muşte de fructe în spaţiu în 1947. Ele s-au întors vii, deschizând calea pentru toţi astronauţii care au zburat în Cosmos.
Imaginea prezintă celule cerebrale din circuitele auditive ale muştelor de fructe, cartografiate şi adnotate de FlyWire
Musca de fructe obişnuită este o creatură simplă cu comportamente sofisticate, inclusiv zborul, luarea deciziilor şi serenada.
Fiind subiectul a mai mult de un secol de cercetare, muştele de fructe apar în nenumărate articole academice care detaliază fiziologia şi dezvoltarea lor.
Acum că o echipă condusă de Universitatea Princeton a urmărit fiecare neuron din creierul unei muşte de fructe ca aceasta, cercetările existente pot fi legate de căi neuronale şi grupuri neuronale specifice.
Model de muscă licenţiat de laboratorul Hidalgo (Universitatea din Birmingham), redat de Philipp Schlegel (Universitatea din Cambridge/MRC LMB). Credit FlyWire.ai
VIDEO: Un întreg creier de muscă de fructe a fost cartografiat pentru prima dată.
Credit: Universitatea Princeton
Această hartă arată locaţia şi dispunerea exactă a celor mai mari 50 de neuroni din conexomul creierului muştelor de fructe. (Credit Tyler Sloan şi Amy Sterling / FlyWire / Universitatea Princeton).
