Από το Science Illustrated
Έχουμε να διασχίσουμε πολύ δρόμο ακόμη έως ότου επιτευχθεί η αποκωδικοποίηση του εγκεφάλου. Μέχρι στιγμής γνωρίζουμε ελάχιστα για την όλη λειτουργία του. Ο εγκέφαλός μας είμαστε εμείς. Θα πρέπει να τον υπερβούμε για να τον κατανοήσουμε πλήρως, γεγονός αδύνατο για τα σημερινά δεδομένα της επιστήμης.
Επιστημονικές περιοχές όπως η συστεμική βιολογία, η νευροβιολογία και οι νευροεπιστήμες γενικότερα βρίσκονται έναντι τεράστιων προκλήσεων. Οφείλουν να διερευνήσουν και να δώσουν απαντήσεις σε μεγάλα ερωτήματα, όπως τι είναι συνείδηση, πώς διαμορφώνονται οι ηθικές αρχές, η λογική σκέψη, το υποσυνείδητο.
Ακόμη και για τη λογική σκέψη αγνοούμε πάρα πολλά πράγματα. Διαθέτουμε ορισμένη γνώση, όπως ποιες περιοχές του εγκεφάλου ενεργοποιούνται και πότε. Όμως, σε επίπεδο βιοφυσικών και μοριακών μηχανισμών που επιτρέπουν τις σύνθετες αυτές λειτουργίες του εγκεφάλου, η γνώση μας είναι εξαιρετικά περιορισμένη.
Ευφυώς περίπλοκος
Οι ερευνητικές δραστηριότητες της ομάδας Υπολογιστικής Βιολογίας του Ινστιτούτου Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας, που εδρεύει στο Ηράκλειο της Κρήτης, με επικεφαλής τη δρα Παναγιώτα Ποϊράζη κατέδειξαν με τη χρήση υπολογιστικών μοντέλων ότι ένα νευρικό κύτταρο του εγκεφάλου έχει τη δυνατότητα να αναγνωρίσει χωρικές και χρονικές διαφορές σε εισερχόμενα ερεθίσματα, να τις κωδικοποιήσει στην απόκρισή του και να τις μεταφέρει στα επόμενα κύτταρα.
Τα αποτελέσματα της ερευνητικής εργασίας δημοσιεύθηκαν τον Δεκέμβριο στο περιοδικό PLoS Computational Biology. Κρίνονται δε ως πολύ σημαντικά, καθώς για πρώτη φορά αποκαλύπτουν τις ικανότητες ενός πυραμιδικού κυττάρου στον εγκέφαλο, για επεξεργασία και κωδικοποίηση σύνθετων πληροφοριών, το εύρος των οποίων δεν είχε εκτιμηθεί στο παρελθόν. Διαπιστώνεται, εν ολίγοις, ότι η λειτουργία του εγκεφάλου μας είναι πολύ περισσότερο σύνθετη και περίπλοκη απ' ό,τι πιστεύαμε.
Η συγκεκριμένη ερευνητική εργασία συμβάλλει σημαντικά στην κατανόηση των μηχανισμών λειτουργίας του ιππόκαμπου, μιας περιοχής που εμπλέκεται σε πολλά είδη μνήμης. Η περιοχή Cornus Ammonis 1 (CA1) αποτελεί την έξοδο του ιππόκαμπου και οι πυραμιδικοί νευρώνες σε αυτή την περιοχή είναι οι κύριες μονάδες επεξεργασίας και αναμετάδοσης πληροφορίας προς ανώτερες περιοχές του φλοιού. Η συγκεκριμένη εργασία δείχνει επιπλέον ότι οι πυραμιδικοί νευρώνες του ιπποκάμπου πιθανά να λειτουργούν ως αισθητήρες αναγνώρισης μνημών.
Συγκεκριμένα, αισθητηριακή πληροφορία στην οποία ο οργανισμός έχει εκτεθεί στο παρελθόν, όπως π.χ. η εικόνα ενός γνωστού αντικείμενου, εντοπίζεται γρήγορα από την CA1 περιοχή και οδηγεί σε ενίσχυση της απόκρισης του κυττάρου, σηματοδοτώντας την αναγνώριση προϋπάρχουσας μνήμης. Αντιθέτως, άγνωστα αισθητηριακά ερεθίσματα δεν αναγνωρίζονται από την CA1 περιοχή και σηματοδοτούν την μείωση της απόκρισης του κυττάρου ώστε κάποια άλλη περιοχή να ενεργοποιηθεί για τη κατοχύρωση της νέας μνήμης.
Τέλος, τα αποτελέσματα της ερευνητικής αυτής δουλειά μπορούν να βοηθήσουν στην κατανόηση των συμπτωμάτων απώλειας μνήμης που εμφανίζονται λόγω γήρανσης ή νευροεκφυλιστικών ασθενειών, όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ και η νόσος του Πάρκινσον. Τα αποτελέσματα της μελέτης εκτιμάται ότι θα βρουν χρήσιμη εφαρμογή στον ευρύτερο τομέα της Νευρομορφικής Μηχανικής (Neuromorphic Engineering) και της Νευροπροσθετικής (Νeuroprosthetics) για την κατασκευή συνεπτυγμένων ψηφιακών δικτύων τα οποία μιμούνται και αναπαράγουν την εγκεφαλική μικροανατομία.
Εργασίες στα κύτταρα
ΠΥΡΑΜΙΔΙΚΟΣ ΝΕΥΡΩΝΑΣ
Η δουλειά του εργαστηρίου μας επικεντρώνεται κυριώς σε υπολογιστικά μοντέλα κυττάρων και δικτύων του εγκεφάλου τα οποία εμπλέκονται σε διαδικασίες μνήμης και μάθησης. Στη συγκεκριμένη ερευνητική εργασία, δημιουργήσαμε ένα υπολογιστικό-μαθηματικό μοντέλο ενός πυραμιδικού νευρώνα της CA1 περιοχής του ιπποκάμπου το οποίο αναπαριστά με μεγάλη λεπτομέρεια τόσο τη μορφολογία όσο και τη φυσιολογία, δηλαδή τους βιοφυσικούς μηχανισμούς (π.χ. ιοντικούς δίαυλους, συναπτικούς υποδοχείς κτλ) που περιέχει ένα τέτοιο κύτταρο.
Δημιουργήσαμε το μοντέλο αυτό με σκοπό να διερευνήσουμε τις διαδικασίες επεξεργασίας και αποθήκευσης πληροφορίας που είναι γνωστό ότι λαμβάνουν χώρα στον ιππόκαμπο, σε επίπεδο ενός κυττάρου.
Ο Ιππόκαμπος είναι μια περιοχή του εγκεφάλου εξαιρετικής σημασίας, καθώς ακριβώς εκεί εντοπίζονται σοβαρές διεργασίες που συνδέονται με τη μνήμη και τη μάθηση. Είναι μία από τις πρώτες περιοχές που προσβάλλονται από ασθένειες που προκαλούν απώλεια μνήμης, όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ, η νόσος του Πάρκινσον ή ακόμη και η φυσιολογική γήρανση.
Αφού δημιουργήσαμε το υπολογιστικό μας μοντέλο, επιβεβαιώνοντας ότι προσομοιάζει όσο το δυνατόν με τα πραγματικά κύτταρα, διερευνήσαμε στη συνέχεια τον τρόπο κατά τον οποίο η πληροφορία που δέχεται ένα κύτταρο κωδικοποιείται για να μεταφερθεί στο επόμενο. Κατά τη διάρκεια των υπολογιστικών πειραμάτων (προσομοιώσεων) μεταβάλλαμε τα χαρακτηριστικά της πληροφορίας, όπως το χρόνο που δέχεται το κύτταρο ένα ερέθισμα καθώς και τον τόπο εισόδου, εν ολίγοις, τα σημεία του κυττάρου όπου τοποθετούνται τα εισερχόμενα ερεθίσματα, τα οποία στο σύνολό του αντιστοιχούν -θεωρητικά- σε μια μνήμη ή αισθητηριακή πληροφορία.
Αλλάζοντας τις συγκεκριμένες παραμέτρους καταγράφαμε την απόκριση του κυττάρου, δηλαδή την ηλεκτρική του δραστηριότητα. Διαπιστώσαμε ότι ένα και μόνο κύτταρο –πάντα με βάση το μοντέλο– μπορεί να αναγνωρίσει αν υπάρχει χωρο-χρονική διαφοροποίηση ανάμεσα στα ερεθίσματα που δέχεται. Δηλαδή αν δύο ερεθίσματα έχουν την ίδια χωρική κατανομή στους δενδρίτες του κυττάρου (οι συνάψεις τοποθετούνται με παρόμοιο τρόπο) και την ίδια χρονική ενεργοποίηση (οι συνάψεις ενεργοποιούνται σε παρόμοιες χρονικές στιγμές). Μπορεί επομένως να αντιληφθεί τη χρονική και χωρική διαφορά ανάμεσα σε δύο ή περισσότερα ερεθίσματα.
ΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ ΑΝΤΙΛΑΜΒΑΝΕΤΑΙ
Όπως διαπιστώθηκε, το κύτταρο είναι σε θέση να αντιληφθεί και να κωδικοποιήσει αυτή τη διαφορά στην απόκρισή του, μεταφέροντάς την έτσι στα επόμενα κύτταρα. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό για πολλούς λόγους.
Πρώτον, μέχρι σήμερα πιστεύαμε ότι αυτή την ικανότητα την είχε ένα κύκλωμα κυττάρων –πολύ περισσότερα από ένα δηλαδή–, που λειτουργούν συνολικά σαν ένα δίκτυο το οποίο μεταφέρει τη συγκεκριμένη πληροφορία παρακάτω. Εμείς όμως ανακαλύψαμε ότι τη συγκεκριμένη διεργασία μπορεί να την επιτελέσει ένα και μόνο κύτταρο. Διαπιστώσαμε λοιπόν ότι η πολυπλοκότητα του εγκεφάλου είναι πολύ μεγαλύτερη απ' ό,τι εκτιμούσαμε, καθώς οι δυνατότητες επεξεργασίας των πληροφοριών σε ένα μόνο κύτταρο είναι πολύ μεγαλύτερες απ' ό,τι μέχρι σήμερα θεωρούσαμε.
Δεύτερον, διαπιστώσαμε ότι ένας πυραμιδικός νευρώνας του ιπποκάμπου μπορεί να λειτουργεί ως αισθητήρας αναγνώρισης της μνήμης.
Συγκεκριμένα, δείξαμε ότι η χρονική διαφοροποίηση εισερχομένων ερεθισμάτων που καταλήγουν σε δύο διαφορετικά σημεία του κυττάρου λειτουργεί ως διακόπτης, μεταβάλλοντας την απόκριση του κυττάρου από αργή ρυθμική σε έντονη παλμική (με ρίπους): ερεθίσματα με μεγάλες χρονικές διαφορές οδηγούν σε μείωση της απόκρισης του κυττάρου ενώ συγχρονισμένα ή χρονικά συσχετισμένα ερεθίσματα ενισχύουν την απόκριση οδηγώντας στην εμφάνιση ριπών.
Η σπουδαιότητα της ανακάλυψης αυτής έγκειται στο ότι ο χρονικός αυτός διακόπτης πιθανά να λειτουργεί ως αισθητήρας αναγνώρισης μνημών: αισθητηριακή πληροφορία στην οποία ο οργανισμός έχει εκτεθεί στο παρελθόν, όπως π.χ. η εικόνα ενός γνωστού αντικείμενου, εντοπίζεται γρήγορα από την CA1 περιοχή (τα ερεθίσματα φτάνουν συγχρονισμένα) και οδηγεί σε ενίσχυση της απόκρισης του κυττάρου, σηματοδοτώντας την αναγνώριση προϋπάρχουσας μνήμης.
Αντιθέτως, άγνωστα αισθητηριακά ερεθίσματα δεν αναγνωρίζονται από την CA1 περιοχή (η χρονική καθυστέρηση υπεισέρχεται ως συνέπεια της διαδικασίας αναζήτησης αντίστοιχων μνημών) και σηματοδοτούν την μείωση της απόκρισης του κυττάρου ώστε κάποια άλλη περιοχή να ενεργοποιηθεί για τη κατοχύρωση της νέας μνήμης.
Είναι η πρώτη φορά που καταδεικνύεται μία τέτοια συμπεριφορά στο επίπεδο ενός κυττάρου. Μέχρι τώρα πιστεύαμε ότι απαιτούνται πολύ πιο πολύπλοκα συστήματα για την αναγνώριση μίας μνήμης. Η υπόθεση αυτή, η οποία πηγάζει από τις προβλέψεις του μοντέλου, είναι σε συμφωνία με συναφή βιβλιογραφία αλλά αναμένει πειραματική επιβεβαίωση. Είναι δηλαδή απαραίτητη, σε επόμενο στάδιο, η διεξαγωγή πειραμάτων σε πραγματικά κύτταρα, για να επιβεβαιωθούν οι εκτιμήσεις μας.
Η βασικότερη συνεισφορά της συγκεκριμένης ερευνητικής εργασίας είναι ότι καταδεικνύει τη σπουδαιότητα μεμονωμένων κυττάρων ανοίγοντας έτσι νέους δρόμους για την διερεύνηση των δυνατοτήτων του εγκεφάλου, αυτού του υπέροχου και εξαιρετικά περίπλοκου «άγνωστου».
σχόλια