Cercetătorii au realizat prima hartă a creierului unei insecte

Cercetătorii au finalizat prima hartă a creierului unei insecte, o realizare de referință în neuroștiință care aduce oamenii de știință mai aproape de înțelegerea adevărată a mecanismului gândirii.

Echipa internațională condusă de Johns Hopkins University (SUA) și University of Cambridge (Anglia) a produs o diagramă uluitor de detaliată care urmărește fiecare conexiune neuronală din creierul unei larve de musculiță de oțet, un model științific arhetipal cu creier comparabil cu cel uman.

Lucrarea, care ar putea să susțină viitoarele cercetări asupra creierului și să inspire noi arhitecturi de învățare automată, apare în revista Science.

„Dacă vrem să înțelegem cine suntem și cum gândim, o parte din muncă este înțelegerea mecanismului gândirii”, a spus Joshua T. Vogelstein, autor principal și inginer biomedical la Johns Hopkins, specializat în proiecte bazate pe date, inclusiv conectomică, adică studiul conexiunilor sistemului nervos.

„Cheia acestui lucru este cunoașterea modului în care neuronii se conectează între ei”, a adăugat el.

Prima hartă a creierului unei insecte

Prima încercare de a realiza o hartă a creierului unei insecte, un studiu de 14 ani pe nematode început în anii 1970, a dus la o hartă parțială și la un premiu Nobel. De atunci, conectoame parțiale au fost cartografiate în multe sisteme, inclusiv muște, șoareci și chiar oameni, dar aceste reconstrucții reprezintă de obicei doar o mică parte din tot creierul.

Conectoame cuprinzătoare au fost generate doar pentru câteva specii mici cu câteva sute până la câteva mii de neuroni în corpul: o nematodă, larva unei ascidii și larva unui polichet.

Conectomul acestei echipe făcut unei larve de musculiță de oțet, Drosophila melanogaster, este cea mai completă și cea mai extinsă hartă a întregului creier de insectă finalizată vreodată. Harta include 3.016 neuroni și fiecare conexiune dintre ei: 548.000, notează Medical Xpress.

„Au trecut 50 de ani și acesta este primul conectom al creierului. Este o dovadă că putem face asta”, a spus Vogelstein.

Un proces deosebit de dificil și îndelungat

Cartografierea întregului creier este dificilă și consumă extrem de mult timp, chiar și cu cea mai bună tehnologie modernă. Obținerea unei imagini complete la nivel celular a unui creier necesită tăierea creierului în sute sau mii de mostre individuale de țesut, toate acestea trebuind să fie fotografiate cu microscoape electronice înainte de procesul minuțios de reconstrucție a tuturor acelor bucăți, neuron cu neuron, într-un portret complet și exact al unui creier.

A fost nevoie de mai mult de un deceniu pentru a face asta cu larva de musculiță de oțet. Se estimează că creierul unui șoarece este de un milion de ori mai mare decât cel al larvei musculiței de oțet, ceea ce înseamnă că șansa de a cartografia ceva apropiat de creierul uman nu este probabilă în viitorul apropiat, poate nici măcar în timpul vieții noastre.

Echipa a ales în mod intenționat larva musculiței de oțet deoarece, pentru o insectă, specia împărtășește o mare parte din biologia sa fundamentală cu oamenii, inclusiv o bază genetică comparabilă. De asemenea, are comportamente bogate de învățare și de luare a deciziilor, ceea ce îl face un organism util în neuroștiință.

Iar în scopuri practice, creierul său relativ compact poate fi fotografiat și circuitele sale reconstruite într-un interval de timp rezonabil.

Cât timp a durat fiecare operațiune ce a dus la această hartă a creierului unei insecte?

Chiar și așa, munca celor două instituții a durat 12 ani. Numai imagistica a durat aproximativ o zi per neuron. Cercetătorii de la Cambridge au creat imaginile de înaltă rezoluție ale creierului și le-au studiat manual pentru a găsi neuroni individuali, urmărindu-i riguros pe fiecare și legându-le conexiunile sinaptice.

Cambridge a predat datele către Johns Hopkins, unde echipa a petrecut mai mult de trei ani folosind codul original creat pentru a analiza conectivitatea creierului. Echipa Johns Hopkins a dezvoltat tehnici pentru a găsi grupuri de neuroni bazate pe modele de conectivitate comune și apoi a analizat modul în care informațiile s-ar putea propaga prin creier.

În cele din urmă, întreaga echipă a trasat fiecare neuron și fiecare conexiune și a clasificat fiecare neuron în funcție de rolul pe care îl are în creier. Oamenii de știință au descoperit că cele mai aglomerate circuite ale creierului erau cele care duceau la și departe de neuronii centrului de învățare.

Metodele dezvoltate de Johns Hopkins sunt aplicabile oricărui proiect de conexiune a creierului, iar codul lor este disponibil oricărei persoane care încearcă să cartografieze un creier animal, chiar și mai mare, a spus Vogelstein, adăugând că, în ciuda provocărilor, se așteaptă ca oamenii de știință să treacă la șoarece posibil în cadrul următorului deceniu.

Care este următorul pas?

Alte echipe lucrează deja la o hartă a creierului adult al musculiței de oțet. Benjamin Pedigo, doctorand la Johns Hopkins în Inginerie Biomedicală, se așteaptă ca codul echipei să ajute la dezvăluirea unor comparații importante dintre conexiunile din creierul adult și cel larvar.

Pe măsură ce conectoamele sunt generate pentru mai multe larve și de la alte specii înrudite, Pedigo se așteaptă ca tehnicile lor de analiză să ducă la o mai bună înțelegere a variațiilor în „cablarea” creierului.

Lucrarea pe larva musculiței de oțet a arătat caracteristici ale circuitului care aminteau izbitor de arhitecturile proeminente și puternice de învățare automată. Echipa se așteaptă ca studiul continuu să dezvăluie și mai multe principii de calcul și să inspire potențial noi sisteme de inteligență artificială.

„Ceea ce am învățat de la musculițele de oțet va avea implicații pentru oameni. Asta este ceea ce vrem să înțelegem, cum să scriem un program care să conducă la o rețea a creierului uman”, a spus Vogelstein.

Vă recomandăm să citiți și:

Schimbările de temperatură ne afectează creierul. Cât de nocive sunt efectele?

Cum sunt unele persoanele declarate moarte din greșeală, chiar și în zilele noastre?

Iubitorii de câini versus iubitorii de pisici: Cine este mai inteligent?

Cercetătorii au creat senzorul de lumină „imposibil” cu o eficiență de 200%