O cercetare revoluționară asupra sistemului nervos al unei muște deschide noi perspective în neuroștiințe. Cartografierea a 50 de milioane de conexiuni neuronale reprezintă un pas important în realizarea unei hărți complexe a creierului uman, având potențial în tratarea afecțiunilor neurologice.

Sute de oameni de știință și cercetători voluntari au dedicat un deceniu cartografierii detaliate a structurii neuronale din creierul muștei de fructe (Drosophila melanogaster).

Realizat printr-un efort internațional, proiectul FlyWire a creat un „conectom” – harta completă a conexiunilor neuronale din creierul acestei insecte (VEZI VIDEO). FlyWire a implicat colaborarea dintre experți în neuroștiințe, biologie computațională și inteligență artificială, alături de sute de voluntari care au analizat și verificat rezultatele.

Uriașul proces – o premieră mondială – a urmărit să ofere cea mai detaliată imagine a unui creier animal, prima diagramă completă, pentru a înțelege mai bine cum funcționează sistemul nervos și cum structura fizică a creierului influențează comportamentul și funcțiile cognitive.

Cercetarea creierului, așadar, avansează cunoștințele în neuroștiințe și deschide noi perspective în tratarea unor afecțiuni precum Parkinson, alimentația compulsivă, depresia și abuzul de substanțe.

Complexitatea uimitoare a creierului muștelor de fructe – un pas mic cu impact mare

Muștele de fructe sunt printre cele mai populare organisme model, alături de peștii-zebră, viermii rotunzi și șoareci, fiind utilizate pentru a studia sistemele fundamentale care susțin viața. Deși diferite, aceste organisme împărtășesc multe gene comune: aproximativ 75% dintre genele implicate în bolile umane se regăsesc și la muștele de fructe, iar șoarecii au 97,5% din ADN-ul funcțional comun cu oamenii.

Studierea creierului acestor animale, așadar, nu a fost întâmplătoare. Deși pot părea neînsemnate, muștele de fructe au evoluat timp de zeci de milioane de ani, iar creierul lor, chiar dacă este mult mai simplu decât cel uman, are complexitatea necesară pentru a fi relevant în studierea principiilor de bază ale funcționării neuronale.

​De altfel, descoperirile uluitoare din timpul cercetării arată că aceste muște manifestă comportamente sofisticate, în ciuda creierului lor minuscul, de dimensiunea unei semințe de mac. Aceste comportamente includ orientarea în spațiu, interacțiuni sociale complexe și răspunsuri elaborate la stimuli externi, demonstrând că un sistem nervos compact poate susține funcții cognitive avansate. De asemenea, muștele de fructe pot percepe lumina ultravioletă, pe care ochiul uman nu o poate distinge.

Astfel, s-a realizat prima diagramă completă a creierului unui animal capabil să se miște și să vadă, permițând cercetătorilor să exploreze cum funcționează circuitele neuronale în raport cu comportamente complexe, precum mișcarea și comunicarea.

„Dacă înțelegem cum funcționează un creier, învățăm despre toate creierele”

„Mănâncă, se orientează după semnalele olfactive și manifestă comportamente foarte sofisticate, precum cele de împerechere, comportamente agresive și alte comportamente sociale. Fac toate acestea și pot zbura”, a remarcat John Ngai, directorul Inițiativei BRAIN a Institutelor Naționale de Sănătate. Această inițiativă este responsabilă pentru conectomul descris săptămâna aceasta în nu mai puțin de nouă lucrări publicate în revista Nature, de o serie de cercetători inclusiv din Canada, Germania și Laboratorul MRC de Biologie Moleculară și Universitatea din Cambridge din Marea Britanie.

Sebastian Seung, profesor de informatică și neuroștiințe la Universitatea Princeton și co-lider al proiectului FlyWire, a menționat: „Cercetătorii își propun să descifreze modul în care muștele percep lumea: cum văd, aud, cântă — da, ele cântă — și cum zboară. De asemenea, ei analizează comportamente complexe, precum curtarea, navigarea și stocarea amintirilor. Toate aceste studii sunt influențate de structura conectomului, care evidențiază relațiile dintre neuronii din creierul muștei”.

Profesorul de la Princeton a explicat și că noua hartă va fi folosită de cercetătorii care încearcă să răspundă la orice întrebare legată de funcționarea și arhitectura creierului muștei de fructe, lămurind și de ce a fost ales acest animal: „Poate vă întrebați de ce ar trebui să ne pese de creierul unei muște de fructe. Răspunsul meu simplu este că, dacă înțelegem cu adevărat cum funcționează un  creier , cu siguranță învățăm ceva despre toate creierele”.

Deși există diferențe semnificative între numărul de celule nervoase (neuroni) la diferite specii, logica sau „codul sursă” care stă la baza comunicării și interacțiunii neuronale este similară, a mai menționat directorul BRAIN, John Ngai.

Conectomul muștei de fructe: o hartă complexă în spațiu redus

Conectom este termenul folosit pentru a descrie diagrama, sau harta, celor peste 50 de milioane de sinapse  și 139.255 de neuroni din creierul muștei de fructe. Această sarcină a constituit o provocare tehnică semnificativă, dat fiind că a implicat aproximativ 150 de metri de conexiuni neuronale, toate aceste legături fiind plasate într-un spațiu extrem de mic, de doar 0,75 milimetri pe 0,25 milimetri, descris ca fiind „pur și simplu extrem de compact”.

„Firele care ies din acești neuroni au, de obicei, un diametru de 50 până la 100 de nanometri și sunt împletite între ele, ca într-un castron de spaghete”, a explicat Davi Bock, co-autor principal al uneia dintre lucrările publicate în Nature și profesor asociat la Colegiul de Medicină Larner al Universității din Vermont.

Prin comparație, un fir de păr uman are o lățime de aproximativ 70.000 până la 100.000 de nanometri.

În ciuda dificultăților legate de dimensiunea extrem de mică a părților analizate, „spaghetele” au fost descurcate, iar, spre surprinderea lui Bock, a fost posibil să se înceapă înțelegerea diagramei de conectivitate.

Navigând printre firele neuronale – cum a fost creată cea mai detaliată hartă a unui creier

Oamenii de știință au realizat acest lucru prin îndepărtarea cu atenție a creierului muștei și prin utilizarea mai multor procese pentru a-l transforma într-un bloc solid. Folosind cuțite din diamant, au tăiat creierul în peste 7.000 de secțiuni ultrafine.

Cercetătorii au analizat secțiunile la un microscop electronic de mare viteză și au realizat 21 de milioane de imagini. Fiecare pixel dintr-o imagine reprezenta o secțiune de țesut cerebral de aproximativ 4x4x40 nanometri. „Dacă te gândești la asta, este o rezoluție incredibilă, dar ai nevoie de ea pentru a urmări aceste fire”, a adăugat Davi Bock.

Inițial, cercetătorii au apelat la inteligența artificială (IA) pentru a analiza milioanele de imagini și pentru a urmări traseul fiecărui neuron și a fiecărei conexiuni sinaptice din acest organ minuscul. Din cauza greșelilor frecvente comise de IA, s-a decis însă recrutarea unei armate globale de cercetători și voluntari pentru a corecta erorile și a finaliza harta.

Davi Bock și colegii săi au identificat apoi tipurile specifice de celule pentru neuronii care formează diagrama de conectivitate, având în vedere că muștele de fructe au mii de tipuri diferite de neuroni. În acest proces, cercetătorii au clasificat peste 8.400 de tipuri diferite de celule, rezultând astfel prima listă completă a componentelor necesare pentru construirea unui creier de muscă.

Un alt grup de cercetători a lucrat la convertirea imaginilor produse de echipa lui Bock, folosind algoritmi de segmentare de ultimă generație, într-o formă care permitea extragerea porțiunilor de neuroni. Toate aceste porțiuni au fost verificate de cercetători voluntari, iar piesele corectate au fost apoi asamblate într-o hartă.

De la muscă la om. Primul pas în descifrarea complexității creierului și a misterelor sale

„Conectomica este începutul unei transformări digitale în neuroștiințe, iar această transformare se va extinde la simularea creierului. Aceasta va reprezenta o accelerare rapidă a modului în care abordăm neuroștiințele”, a recunoscut Sebastian Seung, profesorul de la Princeton.

După cum am menționat în preambul, realizarea diagramei detaliate a creierului musculiței de oțet (musculița bețivă sau musca de fructe) reprezintă un prim pas în înțelegerea proceselor neurologice fundamentale, cu scopul de a ajunge la o înțelegere mai profundă a creierului uman.

Creierul uman este, însă, de aproximativ un milion de ori mai complex decât cel al muștei de fructe, iar realizarea unei hărți complete a conexiunilor neuronale depășește capacitățile tehnologice actuale. O astfel de hartă ar necesita o memorie uriașă, estimată la un zettabyți de date (un bilion de terabyți), ceea ce echivalează cu tot traficul de internet din lume într-un an.

Prin comparație, proiectul FlyWire a utilizat tehnologii de vârf, inclusiv microscopie electronică de înaltă rezoluție și inteligență artificială, pentru a procesa și analiza peste 100 de terabyți de date imagistice.

O abordare mai realistă constă în maparea conexiunilor neuronale din anumite regiuni ale creierului uman. Această cercetare ar putea oferi indicii esențiale cu privire la rolul conexiunilor anormale în tulburările neuropsihiatrice și în alte afecțiuni ale creierului. Potrivit unui studiu recent, peste 40% dintre oameni suferă de o formă de afecțiune a sistemului nervos.

Chiar și dr. John Ngai a recunoscut: „Nu putem repara ceea ce nu înțelegem, iar acesta este motivul pentru care considerăm că ne aflăm într-un moment crucial”. Proiectul BRAIN, pe care îl conduce, a început acum un deceniu cu o investiție de peste 3,5 miliarde de dolari, și are ca scop extinderea cunoștințelor despre sistemul nervos, precum și accelerarea descoperirii tratamentelor pentru bolile care îl afectează.