Ο πληρέστερος χάρτης εγκεφαλικών συνάψεων θηλαστικού. Most comprehensive wiring diagram of the mammalian brain to date

Ο τρισδιάστατος χάρτης των συνάψεων του εγκεφάλου ποντικού αναμένεται να δείξει πολλά και για τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Researchers have published the first comprehensive, large-scale data set on how the brain of a mammal is wired, providing a groundbreaking data resource and fresh insights into how the nervous system processes information. Their landmark paper describes the publicly available Allen Mouse Brain Connectivity Atlas and demonstrates the exciting knowledge that can be gleaned from this valuable resource. The Allen Mouse Brain Connectivity Atlas is available to everyone online at www.brain-map.org. Credit: Image courtesy of Allen Institute for Brain Science

Αμερικανοί επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι δημιούργησαν τον πληρέστερο μέχρι σήμερα τρισδιάστατο χάρτη των νευρωνικών συνάψεων στο εσωτερικό του εγκεφάλου ενός θηλαστικού, συγκεκριμένα ενός ποντικού, σύμφωνα με στοιχεία που δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση Nature.

«Κλειδί» για την κατανόηση των νευροεκφυλιστικών νόσων του ανθρώπου

This movie displays 21 mapping experiments from the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas: a tool to investigate how different regions of the brain are connected. The density of axons at each voxel (dot) are displayed as overlapping circles color-coded by the area of the brain from which the axons are projecting. This animation shows how projections from different regions of the cortex divide the thalamus and striatum into distinct domains.

Πρόκειται για ένα σημαντικό βήμα προόδου στην προσπάθεια κατανόησης του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου του ανθρώπου και των νευροεκφυλιστικών νόσων του. Πάντως, οι ερευνητές παρά το επίτευγμά τους, επισημαίνουν ότι για να δημιουργηθεί ανάλογος χάρτης του ανθρώπινου εγκεφάλου θα χρειαστούν ακόμη αρκετά χρόνια επιστημονικής έρευνας.

Οι επιστήμονες, με επικεφαλής τον Χονγκούι Ζενγκ του Ινστιτούτου Άλεν για την Επιστήμη του Εγκεφάλου στο Σιάτλ, χαρακτήρισαν «ορόσημο» το επίτευγμα δημιουργίας του Allen Mouse Brain Connectivity Atlas με όλες τις συνάψεις, που σχηματίζουν τα διάφορα λειτουργικά κυκλώματα του εγκεφάλου.

Σύμφωνα με τον δρα Ντέιβιντ βαν Έσεν του Πανεπιστημίου Ουάσινγκτον στο Σεντ Λιούις, «πρόκειται για την πιο λεπτομερή ανάλυση της εγκεφαλικής 'συνδεσμολογίας' που διαθέτουμε σήμερα για οποιονδήποτε εγκέφαλο θηλαστικού».

Η αναλυτικότερη αποτύπωση της «συνδεσμολογίας» του εγκεφάλου

This video shows a composite of 80 injection sites of a viral tracer in the cortex (round spheres) and their major projections into the thalamus. We can clearly see that the spatial pattern of the injections is conserved in the thalamus. This kind of information was only previously available in piecemeal form, but with the comprehensive, standardized data in the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas, we can reproducibly measure and visualize this topography.  Interestingly, projections pass through fiber tracts in the striatum, narrowing through the globus pallidus before fanning out throughout the thalamus, maintaining a high degree of spatial preservation from its cortical location.

Ο χάρτης δείχνει με ποιόν τρόπο τα εκατομμύρια νευρώνες συνδέονται και επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω των προεκτάσεών τους, των νευραξόνων, για να παράγουν τις μνήμες, τις συμπεριφορές και τα συναισθήματα. Τα ανατομικά και λειτουργικά προβλήματα αυτών των κυκλωμάτων προκαλούν τις εγκεφαλικές παθήσεις.

Πριν από αυτόν τον χάρτη εγκεφάλου του ποντικού, οι επιστήμονες είχαν στη διάθεσή τους μόνο την πλήρη -αλλά πολύ πιο απλή- νευρωνική συνδεσμολογία του σκουληκιού C.elegans, το οποίο έχει μόλις 302 νευρώνες. Συγκριτικά, ο εγκέφαλος του ποντικού περιέχει 75 εκατομμύρια νευρώνες και ο ανθρώπινος εγκέφαλος διαθέτει γύρω στα 85 δισεκατομμύρια νευρώνες, καθένας από τους οποίους δημιουργεί έως 10.000 συνάψεις με άλλους νευρώνες.

Με τη βοήθεια ιών

Η χαρτογράφηση του εγκεφάλου του ποντικού επιτεύχθηκε με τη βοήθεια ιών, μέσω των οποίων εισήχθη μια φθορίζουσα πρωτεΐνη στον εγκέφαλο του πειραματόζωου, φωτίζοντας με πράσινο χρώμα τα νευρωνικά κυκλώματα. Στην συνέχεια τεμαχίστηκε σε 500.000 τμήματα - κύβους, που ο καθένας είχε πλευρά 100 μικρομέτρων.

Μεταξύ άλλων, διαπιστώθηκε ότι οι νευρωνικές συνδέσεις που περιορίζονται μόνο στο ένα ημισφαίριο του εγκεφάλου, είναι πάντα ισχυρότερες από εκείνες που απλώνονται και στα δύο ημισφαίρια.

Ο χάρτης έχει μεγάλα περιθώρια βελτίωσης από πλευράς ανάλυσης, καθώς «ιχνηλατεί» τις διασυνδέσεις μεταξύ μικροσκοπικών περιοχών εγκεφαλικού ιστού (που η κάθε μία περιέχει 100 έως 500 νευρώνες), αλλά δεν περιλαμβάνει τις ακριβείς συνάψεις όλων των επιμέρους νευρώνων μεταξύ τους.

Τελικός στόχος των επιστημόνων είναι η δημιουργία ενός αντίστοιχου εξονυχιστικού χάρτη και του ανθρώπινου εγκεφάλου. Θεωρείται πάντως δεδομένο ότι, πέρα από τις πολλές ομοιότητες, ένας τέτοιος χάρτης θα είναι μοναδικός για κάθε ξεχωριστό άνθρωπο, με τον ίδιο τρόπο που ο καθένας μας αποτελεί μια μοναδική προσωπικότητα.

Ο γονιδιακός άτλαντας του ανθρώπινου εμβρυικού εγκεφάλου

Co-expression of genes in the brain’s prefrontal cortex when a human fetus is 10 to 19 weeks old in the womb, with high-confidence autism genes (“seed genes”) shown as black circles, probable autism genes as gray circles, and other highly co-expressed genes as white circles. Red lines show positive co-expression correla-tions; blue lines show negative correlations. Credit Jeremy Willsey/UCSF.

Εξάλλου, σε μια δεύτερη μελέτη, επιστήμονες επίσης από το Ινστιτούτο Άλεν έδωσαν στη δημοσιότητα τις πρώτες λεπτομερείς τρισδιάστατες εικόνες των σταδιακών φάσεων ανάπτυξης του εγκεφάλου του εμβρύου μέσα στη μήτρα.

Η έρευνα, που εντάσσεται στο πρόγραμμα BrainSpan Atlas, αναμένεται να βοηθήσει στην κατανόηση των διαταραχών που πυροδοτούνται πριν από τη γέννηση, όπως η σχιζιφρένεια και ο αυτισμός.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον δρα Εντ Λάιν, ανέλυσαν τους εγκεφάλους τεσσάρων ανθρώπινων εμβρύων, που βρίσκονταν μεταξύ 15ης και 21ης εβδομάδας κύησης, δημιουργώντας έτσι τον πρώτο άτλαντα των διαδοχικών γονιδιακών αλλαγών στον υπό ανάπτυξη εγκέφαλο - ο άτλας αυτός δείχνει δηλαδή ποιά γονίδια ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται διαδοχικά όσο αναπτύσσεται ο εγκέφαλος.

«Αυτό ήταν απλώς η αρχή. Θέλουμε να καταλάβουμε το σχέδιο με βάση το οποίο 'χτίζουμε' έναν εγκέφαλο και αυτό ήταν το πρώτο βήμα προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση, καθώς αρχίσαμε να δημιουργούμε έναν χάρτη του τρόπου που τα γονίδια καθοδηγούν την όλη διαδικασία», εξηγεί ο δρ Λάιν. «Το να γνωρίζουμε πού και πότε ένα γονίδιο εκφράζεται στον εγκέφαλο, μπορεί να μας παρέχει σημαντικές ενδείξεις για τον ρόλο του», συμπληρώνει.

Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι στο μέλλον θα μπορέσουν να συγκρίνουν τον εγκέφαλο του ανθρώπου με άλλων θηλαστικών, όπως των πιθήκων και των ποντικών, για να καταλάβουν πού έγκειται η ανθρώπινη ιδιαιτερότητα. Απώτερος στόχος είναι η ανακάλυψη της νευροβιολογικής βάσης του μεγαλύτερου από όλα τα μυστήρια: της ανθρώπινης συνείδησης.