Cercetătorii au finalizat cea mai avansată hartă de până acum a creierului unei insecte, o realizare de referinţă în domeniul neuroştiinţelor care îi apropie pe oamenii de ştiinţă de înţelegerea mecanismului gândirii.
Echipa internaţională condusă de universităţile Johns Hopkins şi Cambridge a realizat o diagramă extrem de detaliată care trasează fiecare conexiune neuronală din creierul unei larve de muscă de fructe, un model ştiinţific arhetipal cu un creier comparabil cu cel al oamenilor.
Lucrarea, care va sta la baza viitoarelor cercetări asupra creierului şi va inspira noi arhitecturi de învăţare automată, a fost publicată vineri, în revista Science.
„Dacă vrem să înţelegem cine suntem şi cum gândim, o parte din acest lucru constă în înţelegerea mecanismului gândirii", a declarat autorul principal Joshua T. Vogelstein, un inginer biomedical de la Johns Hopkins, specializat în proiecte bazate pe date, de genul conectomicii - studiul conexiunilor sistemului nervos.
Cheia pentru asta este cunoaşterea modului în care neuronii se conectează între ei, spune cercetătorul.
Prima tentativă de cartografiere a creierului, un studiu de 14 ani asupra viermilor rotunzi început în anii 1970, a avut ca rezultat o hartă parţială şi un premiu Nobel.
De atunci, au fost cartografiate conectoame parţiale în multe sisteme, inclusiv la muşte, şoareci şi chiar la oameni, dar aceste reconstrucţii reprezintă, de obicei, doar o mică parte din creierul total. Au fost generate hărţi complete de tip conectom doar pentru câteva specii mici, cu câteva sute până la câteva mii de neuroni în corpul lor - un vierme rotund, o larvă de mare şi o larvă de vierme anelid marin.
[ot-video][/ot-video](Acest video se deplasează prin secţiuni transversale ale creierului pentru a dezvălui neuronii reconstruiţi în final. Credit: Universitatea Johns Hopkins/Universitatea din Cambridge)
Connectomul realizat de această echipă pentru un pui de muscă de fructe, larva Drosophila melanogaster, este cea mai completă, precum şi cea mai extinsă hartă a unui întreg creier de insectă realizată vreodată.
Aceasta include 3.016 neuroni şi fiecare conexiune dintre ei, respectiv 548,000 de conexiuni (!)
„Au trecut 50 de ani şi acesta este primul conectom al creierului. Este o victorie că am putut face acest lucru", a declarat Vogelstein.
Cartografierea în întregime a creierului este dificilă şi extrem de consumatoare de timp, chiar şi cu cea mai bună tehnologie modernă.
Pentru a obţine o imagine completă la nivel celular este nevoie de tranşarea creierului în sute sau mii de mostre individuale de ţesut, toate acestea trebuind să fie realizate cu ajutorul microscoapelor electronice înainte de procesul minuţios de reconstrucţie a tuturor acestor piese, neuron cu neuron, într-un portret complet şi precis al creierului.
A fost nevoie de mai mult de un deceniu pentru a face acest lucru cu puiul de muscă de fructe.
Se estimează că, un creier de şoarece este de un milion de ori mai mare decât cel al unui pui de muscă de fructe, ceea ce înseamnă că şansa de a cartografia ceva apropiat de un creier uman nu este probabilă în viitorul apropiat, poate nici măcar în timpul vieţii noastre.
(Foto: Setul complet de neuroni dintr-un creier de insectă, care au fost reconstruiţi cu ajutorul microscopiei electronice cu rezoluţie la nivel de sinapsă. Credit: Universitatea Johns Hopkins/Universitatea din Cambridge)
Echipa a ales în mod intenţionat larva de muscă de fructe, deoarece, pentru o insectă, specia împărtăşeşte o mare parte din biologia sa fundamentală cu oamenii, inclusiv o bază genetică comparabilă.
De asemenea, are comportamente bogate de învăţare şi de luare a deciziilor, ceea ce o face un organism model util în neuroştiinţe.
Iar în scopuri practice, creierul său relativ compact poate fi vizualizat şi circuitele sale reconstruite într-un interval de timp rezonabil.
Chiar şi aşa, munca a durat 12 ani pentru Universitatea Cambridge şi Johns Hopkins.
Numai examinarea imagistică a durat aproximativ o zi pentru fiecare neuron.
Cercetătorii de la Cambridge au creat imaginile de înaltă rezoluţie ale creierului şi le-au studiat manual pentru a găsi neuronii individuali, urmărindu-i riguros pe fiecare dintre ei şi realizând conexiunile sinaptice.
Cambridge a predat datele către Johns Hopkins, unde echipa a petrecut mai mult de trei ani, folosind codul original creat de ei, pentru a analiza conectivitatea creierului.
Echipa de la Johns Hopkins a dezvoltat tehnici pentru a găsi grupuri de neuroni pe baza modelelor de conectivitate comune, iar apoi a analizat modul în care informaţiile s-ar putea propaga prin creier.
[ot-video][/ot-video]
(VIDEO: Connectomul descrie modul în care neuronii comunică în interiorul fiecărei emisfere cerebrale şi între emisferele cerebrale. Credit: Universitatea Johns Hopkins/Universitatea din Cambridge).
În final, întreaga echipă a cartografiat fiecare neuron şi fiecare conexiune, clasificând fiecare neuron în funcţie de rolul pe care îl joacă în creier.
Astfel, oamenii de ştiinţă au descoperit că cele mai aglomerate circuite ale creierului sunt cele care duc spre şi dinspre neuronii din centrul de învăţare.
Metodele dezvoltate de Johns Hopkins sunt aplicabile oricărui proiect de conectare a creierului, iar codul lor este disponibil pentru oricine încearcă să cartografieze un creier animal şi mai mare, a declarat Vogelstein, adăugând că, în ciuda provocărilor, este de aşteptat ca oamenii de ştiinţă să se ocupe şi de creierul de şoarece, posibil în următorul deceniu.
Alte echipe lucrează deja la o hartă a creierului adult al muştelor de fructe. Specialiştii se aşteaptă ca acest cod dezvoltat de echipa de la Johns Hopkins să ajute la descoperirea unor comparaţii importante între conexiunile din creierul adult şi cel al larvelor.
Pe măsură ce connectoamele sunt generate pentru mai multe larve şi de la alte specii înrudite, cercetătorii se aşteaptă ca tehnicile lor de analiză să ducă la o mai bună înţelegere a variaţiilor în privinţa conexiunilor din creier.
Activitatea larvelor de muscă de fructe a arătat caracteristici ale circuitelor care amintesc în mod izbitor de arhitecturi proeminente şi puternice de învăţare automată.
Echipa se aşteaptă ca studiul să descopere în continuare şi mai multe principii de calcul şi să inspire potenţial noi sisteme de inteligenţă artificială.
„Ceea ce am învăţat despre codul pentru muştele de fructe va avea implicaţii asupra codului pentru oameni", a declarat Vogelstein.
„Asta este ceea ce vrem să înţelegem, cum să scriem un program care să conducă la o reţea cerebrală umană", a precizat savantul.
(Foto: O diagramă care descrie conectivitatea, în care neuronii sunt reprezentaţi sub formă de puncte, iar neuronii cu o conectivitate similară sunt reprezentaţi mai aproape unul de celălalt. Liniile descriu conexiunile dintre neuroni. Marginea figurii prezintă exemple de morfologii neuronale. Credit: Universitatea Johns Hopkins/Universitatea din Cambridge)
