Νέα τεχνική χαρτογράφησης του εγκεφάλου αποκαλύπτει τα μυστικά του

Ερευνητές στη Μ. Βρετανία λαμβάνοντας εγκεφαλικά σήματα μέσω νευροαπεικόνισης δημιουργούν τώρα ακριβή μοντέλα που δείχνουν το πώς ομαδοποιημένες περιοχές του εγκεφάλου ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες λειτουργίες και συμπεριφορές

Πολύπλοκα συστήματα όπως ο εγκέφαλος εξαρτώνται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ομάδων περιοχών και όχι μόνο μεταξύ ζευγών περιοχών. Αν και οι επιστήμονες γνώριζαν θεωρητικά ότι αυτό συμβαίνει, μέχρι τώρα δεν είχαν την απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύ για να το μοντελοποιήσουν.

Σε μια νέα

μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Nature Communications μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ χρησιμοποίησε τώρα δεδομένα από σαρώσεις Λειτουργικής Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού (fMRI), οι οποίες διενεργήθηκαν στο πλαίσιο του Human Connectome Project, αυτής της μεγάλης κλίμακας ερευνητικής κοινοπραξίας που συστάθηκε για να χαρτογραφήσει τον ανθρώπινο εγκέφαλο, συνδέοντας τη δομή του με τη λειτουργία και τη συμπεριφορά του.

Οι ερευνητές λαμβάνοντας 100 άσχετα μεταξύ τους δείγματα από τη τράπεζα δεδομένων του έργου HCP παρήγαν λεπτομερή μοντέλα νευρικών αλληλεπιδράσεων, τα οποία δοκιμάστηκαν στοχευμένα σε τρεις βασικούς άξονες για να ελεγχθεί η χρησιμότητά τους.

Στον πρώτο άξονα οι επιστήμονες μπόρεσαν να δείξουν ότι είναι δυνατό να προσδιοριστεί ποια εγκεφαλική διεργασία μπορεί να κάνει ένα άτομο ενώ βρίσκεται στον σαρωτή fMRI και στον δεύτερο άξονα της έρευνας, η ομάδα έδειξε ότι είναι δυνατό να εντοπιστεί ένα συγκεκριμένο άτομο από τα σήματα του εγκεφάλου του, χρησιμοποιώντάς τα ως ένα είδος μοναδικού εγκεφαλικού αποτυπώματος για τον καθένα. Στον τρίτο άξονα, οι ερευνητές απέδειξαν πώς τα εγκεφαλικά σήματα υψηλότερης τάξης ενός ατόμου μπορούν να διαχωριστούν από τα σήματα χαμηλότερης τάξης και να συσχετιστούν με τα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς κάθε ατόμου.

Η απαρχή του Human Connectome Project

Πριν από 13 χρόνια, επιστήμονες από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ (NIH) ένωσαν τις δυνάμεις τους για να κάνουν το φαινομενικά αδύνατο, δυνατό: να δημιουργήσουν έναν χάρτη με περιοχές και τις μεταξύ τους συνδέσεις και αλληλεπιδράσεις του ανθρώπινου εγκεφάλου (λειτουργικά διακριτούς κόμβους). Και έτσι επινοήσαν το Human Connectome Project (HCP).

Όμως η ιδέα δεν ήταν καινούργια για τους νευροεπιστήμονες. Από τότε που ο Santiago Ramón y Cajal ανακάλυψε περίπλοκα νευρωνικά δίκτυα στα τέλη του 1800, πολύ πριν από την νευροαπεικόνιση και για αιώνες μετά από την εποχή του, οι επιστήμονες συνενώνουν νευρωνικά δίκτυα με απώτερο στόχο να βρουν έναν συνεπή οδηγό για τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Από την έναρξή του το 2009, το HCP έχει μεταμορφώσει την έρευνα στο πεδίο των νευροεπιστημών και διερευνά την περαιτέρω διεύρυνσή του.

Ο μέσος ανθρώπινος εγκέφαλος διαθέτει 86 δισεκατομμύρια νευρώνες που σχηματίζουν τρισεκατομμύρια συνδέσεις. Οι νευρώνες στέλνουν μηνύματα στους άξονές τους – κύτταρα γνωστά ως λευκή ουσία – για να διαμορφωθούν αυτές οι συνδέσεις. Αυτοί οι νευρώνες συμπλέκονται για να σχηματίσουν τελικά το ανθρώπινο νευρικό κύκλωμα, το πιο περίπλοκο που είναι γνωστό σε ζωντανούς οργανισμούς. Στην πραγματικότητα, τα ‘καλώδια’ ή νευράξονες αντιπροσωπεύουν πάνω από το ήμισυ της συνολικής εγκεφαλικής ύλης. Ανατομικά, η κατανόηση του χάρτη των νευρικών συνδέσεων στον εγκέφαλο, ή του connectome είναι ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση των θεμελιωδών πτυχών της γνωστικής λειτουργίας, της συστημικής εγκεφαλικής δραστηριότητας και της λειτουργικής νευροανατομίας.

Η κοινοπραξία Human Connectome Project (HCP) καθοδηγείται από τον Dr. David C. Van Essen, καθηγητή στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις, και τον Kamil Ugurbil, Διευθυντή του Κέντρου Έρευνας Μαγνητικού Συντονισμού στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, περιλαμβάνει περισσότερους από 100 ερευνητές και ερευνήτριες και τεχνικό προσωπικό σε 10 ιδρύματα στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ευρώπη και χρηματοδοτείται από 16 τμήματα των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας των ΗΠΑ μέσω του Σχεδίου για την Έρευνα Νευροεπιστημών .

Όλες οι μελέτες της ερευνητικής κοινοπραξίας οργανώνονται γύρω από τρείς πυρήνες. Ο πρώτος αφορά στη μελέτη του υγιούς εγκεφάλου νεαρών ενηλίκων, ο δεύτερος στη μελέτη του εγκεφάλου ως προς την ανάπτυξη και τη γήρανση και ο τρίτος στη μελέτη του εγκεφάλου ως προς την ασθένεια. Το HCP εστιάζει ερευνητικά στη χαρτογράφηση των συνδέσεων του ανθρώπινου εγκεφάλου σε υψηλή ανάλυση και στη δημιουργία ενός νέου σαρωτή νευρικής απεικόνισης που βελτιστοποιεί τις μετρήσεις του διασυνδεδεμένου συστήματος.

Για να χαρτογραφήσουν τον ανθρώπινο εγκέφαλο σε υψηλή ανάλυση, οι ομάδες επιστημόνων του HCP συνέλλεξαν δεδομένα, χρησιμοποιώντας μη επεμβατικές σαρώσεις εγκεφάλου, από 1200 υγιείς ενήλικες, και συγκεκριμένα από δίδυμα αδέρφια 300 οικογενειών. Το HCP συγκέντρωσε αυτά τα δεδομένα και δημιούργησε έναν συλλογικό χάρτη νευρωνικών κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας επικαλυπτόμενα δίκτυα εντός των 1200 σαρώσεων. Επιπλέον, δημιούργησε έναν σαρωτή που χαρτογράφησε νευρώνες με άξονες μεγάλου μήκους, που έφταναν σε διαφορετικούς και εξαιρετικά συγκεκριμένους ιστούς εντός της περιφέρειας του ανθρώπινου σώματος, επιτρέποντας στον εγκέφαλο να διακρίνεται με μεγαλύτερη διαύγεια και λεπτομέρεια κατά τη διέγερσή του.

Τα δεδομένα νευροαπεικόνισης των 1200 ενηλίκων ατόμων που κυκλοφόρησε το HCP το 2017 καταλάμβαναν περίπου δύο terabyte (2 τρισεκατομμύρια byte) μνήμης υπολογιστή - που ισοδυναμεί με περισσότερα από 400 DVD - και αποθηκεύτηκαν σε μια προσαρμοσμένη ανοικτή βάση δεδομένων που ονομάζεται ConnectomeDB.

«Κάνοντας αυτό το μοναδικό σύνολο δεδομένων διαθέσιμο και συνεχίζοντας με τακτικές ενημερώσεις τους ανά τρίμηνο, το Human Connectome Project δίνει τη δυνατότητα στην επιστημονική κοινότητα να αρχίσει αμέσως να διερευνά τις σχέσεις μεταξύ των εγκεφαλικών κυκλωμάτων και της ατομικής συμπεριφοράς», λένε οι επιστήμονες.

Η έρευνα συνεχίζεται…

Το HCP όχι μόνο μεταμόρφωσε έρευνες δεκαετιών, αλλά διαμοιράστηκε τα ευρήματά του, επαναπροσδιορίζοντας με τη σειρά του το κίνημα της ανοιχτής επιστήμης. Είναι αξιοσημείωτο ότι μέχρι στιγμής έχουν δημοσιευτεί περισσότερες από 1600 μελέτες στο πλαίσιο του προγράμματος. Η απελευθέρωση του πρώτου γύρου σημαντικών δεδομένων όχι μόνο έφερε ένα κύμα γνώσης σχετικά με το connectome, αλλά μια «φρέσκια» οπτική στην κλινική ισχύ και τις εφαρμογές των δεδομένων του.

Οι επιστήμονες, μέσω του προγράμματος, διευρύνουν πλέον τους ορίζοντές τους μέσα από ολοένα νέες ερευνητικές προσεγγίσεις γνωστών νευρολογικών ζητημάτων, όπως είναι ενδεικτικά, το Alzheimer's Disease Connectome Project (ADCP) που ξεκίνησε για την ανάπτυξη τεχνολογίας για τη χαρτογράφηση της νόσου του Alzheimer σε κάθε στάδιο της εξέλιξής της. Ομοίως, το Human Connectome Project for Early Psychosis ξεκίνησε για τη συλλογή δεδομένων απεικόνισης υψηλής ανάλυσης ασθενών με πρώιμη ψύχωση με στόχο να τα διαμοιραστεί με άλλους ερευνητές. Στην ίδια λογική το Lifespan Human Connectome Project in Development ξεκίνησε για να μελετήσει πώς οι κοινές εμπειρίες της παιδικής ηλικίας, όπως οι πρακτικές γραμματισμού, μπορούν να διαμορφώσουν τη συνδεσιμότητα του εγκεφαλικού φλοιού.

Τον περασμένο Νοέμβριο, με τη σάρωση του εγκεφάλου ατόμων ενώ παρακολουθούσαν κλιπ ταινιών, οι νευροεπιστήμονες έδειξαν το πώς ανάβουν διαφορετικά δίκτυα εγκεφάλου όταν οι συμμετέχοντες βλέπουν σύντομα κλιπ από μια σειρά ανεξάρτητων και χολιγουντιανών ταινιών, όπως Inception , The Social Network και Home Alone . Η ομάδα εντόπισε διαφορετικά δίκτυα εγκεφάλου που εμπλέκονται στην επεξεργασία σκηνών όπου συμμετέχουν άνθρωποι, άψυχα αντικείμενα ή παρεμβάλλεται δράση και διάλογος. Αποκάλυψαν επίσης πώς δίνεται προτεραιότητα σε διαφορετικά εκτελεστικά νευρωνικά δίκτυα κατά τη διάρκεια σκηνών που παρακολουθούνται εύκολα ή δύσκολα, όπως αποκάλυψε η μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Neuron του Cell Press.

Ωστόσο, αυτή η νέα έρευνα ενισχύει ένα διαχρονικό και επίμονο ερώτημα: τι σημαίνει η χαρτογράφηση του ανθρώπινου εγκεφάλου;

Κάθε άτομο είναι αντικειμενικά μοναδικό και αυτή η διαφορά μεταξύ των ατόμων αντανακλάται στον εγκέφαλό τους. Επιπλέον, ο εγκέφαλος κάθε ατόμου αλλάζει συνεχώς και διαμορφώνεται ανταποκρινόμενο στις εμπειρίες του και έτσι, πολλοί νιώθουν φόβο στην ιδέα ότι ένας συλλογικός χάρτης μπορεί να ορίσει μια εξαιρετικά εξατομικευμένη και εξελισσόμενη οντότητα.

Ωστόσο, οι διαφορές στη συνδεσιμότητα που καθορίζουν την ατομικότητα περιλαμβάνουν πολύ λιγότερα νευρωνικά δίκτυα και συνδέσεις από ό,τι φαίνεται. Παρόλο που οι άνθρωποι παρουσιάζουν ατομική διαφοροποίηση στη συνδεσιμότητα, μεγάλο μέρος της συνδεσιμότητας που είναι υπεύθυνη για τη θεμελιώδη συμπεριφορά είναι παρόμοια σε όλους τους ανθρώπους. Έτσι, μπορεί να δημιουργηθεί μια σχετικά μοντελοποιημένη σύνδεση και να χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση κοινών, αλλά συχνά ελάχιστα κατανοητών νευρολογικών και ψυχιατρικών παθήσεων.

Ωστόσο, αυτό που μπορεί να πει κάποιος με βεβαιότητα είναι πως ακριβώς όπως η συνεχώς εξελισσόμενη φύση του ανθρώπινου εγκεφάλου, το HCP απέχει πολύ από το τέλος του ταξιδιού του. Το έργο δεν ταξιδεύει μόνο σε μια νέα εποχή έρευνας σχετικά με την εγκεφαλική σύνδεση (Connectome), αλλά προάγει και μια νέα κουλτούρα επιστημονικής έρευνας και περιέργειας.

#ΕΓΚΕΦΑΛΟΣ #ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ