Pokazać wszystko - jak się wszystko łączy się ze wszystkim - i jak to wszystko działa. Postępy w mapowaniu mózgu
Niemal nieustannie powstają nowe, coraz doskonalsze i dokładniejsze mapy mózgu. Najnowsza, o której w kwietniu 2023 r. doniósł "Nature", ujawnia, że oprócz regionów poświęconych konkretnym częściom ciała, są obszary, które kontrolują integrację całego ciała. I generalnie wygląda to nieco inaczej, niż zakładano do tej pory.
Evan Gordon, neurobiolog z uniwersytetu w St. Louis i jego koledzy badają zsynchronizowaną aktywność i komunikację między różnymi regionami mózgu. Zespół zebrał więc dane z funkcjonalnego rezonansu magnetycznego na ochotnikach, którzy wykonywali różne zadania.
Uczestnicy badań wykonywali proste ruchy, takie jak poruszanie tylko brwiami lub palcami u nóg, a także złożone zadania, jak jednoczesne obracanie nadgarstka i poruszanie stopą z boku na bok. Dane fMRI ujawniały, które części mózgu aktywowały się w tym samym czasie, gdy wykonywano każde zadanie, co pozwoliło badaczom prześledzić, które regiony były funkcjonalnie połączone ze sobą.
Zespół odkrył, że połączenie mózg-pierwotna kora ruchowa jest zorganizowane w trzy odrębne sekcje. Każda z nich reprezentuje inne regiony ciała - dolną część ciała, tułów i ramiona oraz głowę. Znaleziono również trzy miejsca, które nie są związane z konkretną częścią ciała. Nazwane regionami międzysektorowymi, łączą się one z zewnętrzną siecią zaangażowaną w kontrolę działań i odczuwanie bólu. Regiony te przeplatają się z sekcjami poświęconymi konkretnym częściom ciała. Podejrzewa się, że regiony międzysektorowe mogą integrować cele działania i ruchy ciała obejmujące wiele części ciała, zaś przestrzenie pomiędzy nimi są wykorzystywane do precyzyjnych ruchów pojedynczych części ciała.
Jak się ma struktura do funkcji
Obecnie szacuje się, że w mózgu znajduje się około 86 miliardów neuronów oraz mniej więcej taka sama liczba komórek nieneuronowych. Uważa się, że liczba połączeń, czyli synaps, przez które neurony komunikują się za pomocą sygnałów chemicznych i elektrycznych, wynosi około 125 bilionów. Znajduje się tam cały wszechświat, mimo że przeciętny dorosły mózg waży zaledwie ok. 1,5 kg i ma wymiary zaledwie 140 mm × 167 mm × 93 mm.
Choć wiemy wiele o anatomii mózgu, jego funkcje pozostają w dużej mierze enigmatyczne. Na przykład, chcielibyśmy poznać biologiczny mechanizm kodowania wspomnień. W komputerze pliki są kodowane cyfrowo za pomocą serii jedynek i zer, co jest rodzajem dyskretnej pamięci. A w jaki sposób mózg przechowuje informacje? Nie wiemy. Nie wiemy też, jak i ewentualnie - gdzie - w mózgu powstaje świadomość, ale nad tym pochylamy się w innym tekście w tym wydaniu MT. Możemy jednak już jako tako skorelować różne działania, ruchy i myśli z aktywnością mózgu. Naukowcy mogą na przykład powiedzieć, jaka część mózgu będzie wykazywać aktywność elektryczną, gdy czytamy pewne słowa i frazy.
Ponad sto lat temu hiszpański neurobiolog Santiago Ramón y Cajal jako pierwszy pokazał (2), jak wiele różnych typów komórek występuje w mózgu ssaków. Zabarwił neurony tak, by można je było zobaczyć pod mikroskopem, a następnie wykonał precyzyjne rysunki ich kształtów. Spośród kilkudziesięciu typów, które znalazł, niektóre miały przedłużenia, zwane dziś aksonami, które sięgały na duże odległości z klockowatych ciał komórkowych niczym nogi pająka. Niektóre miały krótkie aksony, inne przypo-minały raczej gwiazdy. Wydedukował, że ponieważ ak-sony każdej komórki znajdowały się bardzo blisko ciał komórkowych innych, prawdopodobnie przekazywały informacje. Za swoje odkrycia otrzymał w 1906 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny.
autorstwa Santiago Ramóna y Cajala
Od tego czasu większość badań nad typami komórek skupia się na korze mózgowej, która kontroluje wiele bardziej skomplikowanych zachowań. Neurolodzy wyodrębnili w korze mózgowej trzy główne klasy komórek - dwie klasy neuronów - hamujące i pobudzające. Obie przekazują impulsy elektryczne, ale pierwsza tłumi aktywność w neuronach partnerskich, a druga ją pobudza. Trzecia klasa to ogromna liczba komórek nieneuronowych, wspierających i chroniących neurony. Przez dziesięciolecia neuronaukowcy wykorzystywali każdą nową technikę, którą uznali za odpowiednią, aby dopracować definicję tego, co stanowi Allena odrębny typ komórki w tych klasach. Zdali sobie sprawę, że komórki, które powierzchownie wyglądają tak samo, mogą być różnymi typami komórek, w zależności od ich połączeń z innymi komórkami lub regionami mózgu, lub ich właściwości elektrycznych.
Od lat 90. XX w. naukowcy zaczęli badać aktywność genów w różnych typach komórek i to, jak ich ekspresja wpływa na ich właściwości. W 2006 roku Instytut Allena stworzył atlas ekspresji genów pokazujący, gdzie w mózgu myszy każdy z około 21 tys. genów podlega ekspresji. Budowanie atlasu mózgu Allena, jeden gen po drugim, zajęło kilkudziesięciu pracownikom instytutu trzy lata. Atlas jest regularnie aktualizowany (3) i nadal jest szeroko wykorzystywany jako punkt odniesienia.
Głównym celem mapowania mózgu jest odkrycie związku pomiędzy strukturą i funkcją mózgu. Różne narzędzia opracowane w ciągu ostatniego stulecia miały właśnie do tego służyć, do lokalizacji funkcji w mózgu. Obecnie korzysta się z technik obrazowania mózgu takich m.in. jak: funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI), pozytonowa tomografia emisyjna, elektroencefalografia, elektrokortykografia i spektroskopia w bliskiej podczerwieni (niedawno powstałe narzędzie). Techniki elektrofizjologiczne, w tym głęboka stymulacja mózgu, mogą być również wykorzystywane do badania funkcji neuronów w poszczególnych regionach mózgu.
Najbardziej popularna ostatnio metoda, fMRI, mierzy zmiany w przepływie krwi, które przekładają się na aktywność komórkową i teoretycznie dostarczają funkcjonalnej mapy mózgu. FMRI oparte na zadaniach wzmacnia tę mapę poprzez wykonywanie przez osoby badane testów podczas skanowania MRI w celu zidentyfikowania wywołanych przez bodźce wzorców aktywności komórkowej. Przykładem jest wykonywanie zadań związanych z pamięcią roboczą, które prowadziły do aktywacji w korze przedczołowej zdrowych osób, wzmacniając tę strukturę jako podstawową w pamięci. Wyniki FMRI powinny być interpretowane z ostrożnością, ponieważ dostarczają one miary jedynie surogatu aktywności mózgu poprzez przepływ krwi i zmiany w tlenie we krwi.
Warto dodać, iż niektórzy oponują przeciwko tezie, że mózg ma stałą architekturę neuronową, co podważa sens mapowania. Mapy jednak wciąż powstają. Znany projekt tego typu, Human Connectome Project, (4) pozwolił np. opracować efektowne mapy ścieżek istoty białej rozciągających się w całym mózgu, co ostatecznie doprowadziło do znacznego postępu w rozwijającej się dziedzinie konektomiki.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Mapa tak, ale krótkoterminowa
Zanim zanurkujemy dalej w dziedzinę mapowania mózgu, najpierw sprecyzujmy jeszcze, o czym mówimy. Istnieją tak naprawdę dwa rodzaje mapowania mózgu. Pierwszy typ jest opisywany przez Society for Brain Mapping & Therapeutics jako "badanie anatomii i funkcji mózgu oraz rdzenia kręgowego przez wykorzystanie obrazowania, immunohistochemii, biologii molekularnej i optogenetyki, komórek macierzystych i komórkowych, inżynierii, neurofizjologii i nanotechnologii". Można by dodać do tej listy fizykę i fizykę kwantową.
Drugi rodzaj mapowania mózgu zajmuje się identyfikacją obszarów mózgu za pomocą technologii qEEG (ilościowa elektroencefalografia) w celu ich wzmocnienia lub uzdrowienia poprzez trening neurofeedback. Praktycy neurofeedbacku twierdzą, że ma on imponującą wartość terapeutyczną dla osób cierpiących na różnego rodzaju schorzenia związane z mózgiem, w tym ADHD, autyzm, depresję i lęki. Niektórzy eksperci wyrażają jednak sceptycyzm wobec przynajmniej części tych twierdzeń.
Medyczne mapowanie mózgu działa poprzez fizyczny proces zbierania danych. Chociaż istnieją różne metody zbierania danych do produkcji wizualnej mapy mózgu, wszystkie obejmują rodzaj nieinwazyjnego, a czasem inwazyjnego, fizycznego połączenia z głową lub skórą głowy pacjenta w celu wykrycia i zebrania danych falach mózgowych. Zebrane dane są uważane jedynie za krótkoterminowe okno aktywności mózgu, ale mogą wskazywać na rodzaje aktywności mózgu dotyczące rodzajów fal mózgowych, ich lokalizacji w mózgu, a także wszelkie nieprawidłowości lub dysfunkcje.
Mapa mózgu mogłaby więc być czymś w rodzaju atlasu, zbiorem map, które dokumentują różne ścieżki neuronowe. Jednak, w przeciwieństwie do mapy drogowej, nie może być dwuwymiarowa. Mapa mózgu samej kory mózgowej musi być trójwymiarowa. Kora mózgowa, czyli istota szara, która zawiera miliardy neuronów i synaps, jest pofałdowana w taki sposób, że części, które byłyby od siebie oddalone, znajdują się blisko siebie. Jest to przydatne, ponieważ skraca odległość, jaką sygnały muszą pokonać z jednej części mózgu do drugiej. Fałdy znacznie zwiększają również powierzchnię kory mózgowej, co oznacza, że możemy upchnąć więcej szarej materii wewnątrz naszych czaszek.
W ciągu ostatniej dekady dokonano znaczącego postępu w identyfikacji i klasyfikacji różnych typów komórek występujących w mózgu przy użyciu technik takich jak wysokowydajne sekwencjonowanie pojedynczych komórek. Komórki w mózgu składają się z wielu różnych podklas, z których każda ma odrębny cel i funkcję, w tym neurony pobudzające i hamujące. Co ważne, wiele z tych typów komórek jest specyficznych dla różnych regionów mózgu. Pokłady szczegółów nie kończą się na tym. Nie tylko istnieje ogromna liczba różnych typów komórek, które należy scharakteryzować i zrozumieć, ale są one również ułożone w wysoce wyspecjalizowane i misternie zintegrowane obwody, które obejmują zakres od małych sąsiedztw komórek aż do wyższych struktur mózgu, takich jak ciało migdałowate i podwzgórze. Dlatego też, aby opracować kompleksowy, szczegółowy atlas mózgu, niezbędny jest kontekst przestrzenny i analiza interakcji między komórkami.
Muszka z konektomem
Kompletną mapę wszystkich połączeń w całym mózgu, zwaną konektomem, opracowano dotychczas tylko dla trzech organizmów. Organizmy te to glista i larwy dwóch morskich owadów. Wszystkie mają najwyżej kilkaset neuronów w mózgu. Mapowanie większych i bardziej złożonych mózgów pozostaje technicznym wyzwaniem i u innych gatunków, w tym człowieka, zostało dokonane tylko dla części mózgu. Niedawno międzynarodowy zespół badawczy postanowił zmapować cały mózg larwy muszki owocowej Drosophila melanogaster.
Kompletny konektom muszki owocowej składa się z ponad trzech tysięcy neuronów i ponad pół miliona synaps - punktów połączenia między różnymi neuronami. Badacze sklasyfikowali neurony na podstawie różnych sposobów, w jakie łączyły się ze sobą. Używając tego podejścia, zidentyfikowali 93 odrębne typy neuronów. Wyróżniono trzy ogólne kategorie neuronów: neurony wejściowe, które wprowadzają informacje ze zmysłów do mózgu; neurony wyjściowe, które przekazują sygnały z mózgu; oraz interneurony, które łączą się z innymi neuronami w mózgu. Zespół odkrył, że obwody neuronowe przypominają te, które można znaleźć w najnowocześniejszych komputerowych systemach uczenia maszynowego.
Na przykład, sygnał mógł biecod danego wejścia do danego wyjścia przez kilka tras różnej liczbie kroków. Te równoległe trasy były silnie połączone, tworząc coś, co nazywa się rozproszoną siecią przetwarzania. Wiele neuronów otrzymywało również informacje zwrotne od swoich partnerów w dalszej kolejności. Ta cecha, zwana architekturą rekurencyjną, była szczególnie powszechna w neuronach związanych z centrum uczenia się mózgu. Większość neuronów węzłowych mózgu - tych z największą liczbą połączeń - była połączona z centrum uczenia się. Huby częściej niż inne neurony tworzyły połączenia z przeciwległą półkulą mózgu. Sugeruje to znaczenie komunikacji między półkulami.
W innym badaniu, którego wyniki udostępniono w marcu 2023, grupa naukowców stworzyła szczegółowy atlas komórkowy mózgu myszy. Dane przedstawione w tym artykule są wynikiem współpracy wielu ośrodków w Stanach Zjednoczonych. Naukowcy wykorzystali wiele technologii do charakteryzowania komórek mózgowych, w tym platformę MERSCOPE firmy Vizgen, która pozwoliła im na dokładne mapowanie każdej komórki do określonego miejsca w przestrzeni 3D całego mózgu myszy. W sumie 4,3 miliona komórek zostało przeanalizowanych przez MERSCOPE na potrzeby tego badania. Integracja kontekstu przestrzennego pozwoliła badaczom zrozumieć nie tylko, czym są komórki, ale jak oddziałują ze sobą i tworzą te złożone obwody neuronalne i podstruktury w mózgu. Rezultatem tej niezwykłej współpracy naukowej jest pierwszy pełny atlas mózgu myszy w trzech wymiarach, który ustanawia wzorcowe narzędzie referencyjne, ujawniające unikalne i wcześniej nieodkryte cechy organizacji komórek i komunikacji w różnych regionach mózgu.
Mając dostęp do podstawowych cech komórek i zachowań wyszczególnionych w atlasie, naukowcy mogą badać dynamiczne zmiany zachodzące w różnych warunkach fizjologicznych - w zdrowiu i chorobie - w celu zidentyfikowania określonych procesów, ścieżek i typów komórek jako markerów dla wyników terapeutycznych, diagnozy choroby i celów dla nowych metod leczenia.
Gdy cyfrowy bliźniak jest u lekarza
Projekty, zapoczątkowane w ciągu ostatniej dekady, mają na celu systematyczne tworzenie map połączeń w mózgu oraz katalogowanie typów komórek i ich właściwości fizjologicznych. W 2013 r., rząd USA i Komisja Europejska uruchomiły hojne finansowanie dla tego typu projektów. Działania USA, których koszt szacuje się na 6,6 mld USD do 2027 r. - skupiły się na opracowaniu i zastosowaniu nowych technologii mapowania w ramach inicjatywy BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies). Jednym z największych i najlepiej finansowanych wysiłków, finansowanych przez inicjatywę BRAIN, jest gigantyczny katalog typów komórek tworzony przez BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), konsorcjum 26 zespołów w amerykańskich instytucjach badawczych.
Katalog opisuje, ile jest różnych typów komórek mózgu, w jakich proporcjach występują i jak są rozmieszczone przestrzennie. Komisja Europejska i jej organizacje partnerskie wydały 607 mln euro na projekt Human Brain Project (HBP), którego głównym celem jest stworzenie symulacji obwodów mózgowych i wykorzy-stanie tych modeli jako platformy do eksperymentów. Japonia uruchomiła projekt Brain/MINDS (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies), którego duża część obejmuje mapowanie sieci neuronowych w mózgu małpy marmozety. Od tego czasu inne kraje, w tym Kanada, Australia, Korea Południowa i Chiny, uru-chomiły lub zobowiązały się do uruchomienia wysoko finansowanych programów nauki o mózgu o bardziej rozproszonych celach. Te prace w toku już teraz generują kolosalne - i różnorodne - zbiory danych, z których wszystkie będą otwarte. Na przykład w grudniu 2020 roku HBP uruchomił swoją platformę EBRAINS, aby zapewnić dostęp do zbiorów danych w różnych skalach, narzędzi cyfrowych do ich analizy i zasobów do prowadzenia eksperymentów (https://ebrains.eu).
W marcu 2023 r. w "The Lancet Neurology" badacze z Human Brain Project (HBP) przedstawili nowatorskie zastosowania kliniczne zaawansowanych metod modelowania mózgu. Modele te mogą być wykorzystywane jako narzędzia predykcyjne do wirtualnego testowania hipotez i strategii klinicznych. Aby stworzyć spersonalizowane modele mózgu, naukowcy wykorzystują technologię symulacji zwaną The Virtual Brain (TVB), którą członek projektu HBP Viktor Jirsa opracował wraz ze współpracownikami. Dla każdego pacjenta modele obliczeniowe są tworzone na podstawie danych o indywidualnie zmierzonej anatomii, łączności strukturalnej i dynamice mózgu. Podejście to zostało po raz pierwszy zastosowane w epilepsji, a obecnie trwa duże badanie kliniczne. Technologia TVB pozwala klinicystom symulować rozprzestrzenianie się nieprawidłowej aktywności podczas napadów padaczkowych w mózgu pacjenta, co pomaga im lepiej identyfikować obszary docelowe.
Autorzy badań przewidują, że przyszłe postępy w mapowaniu/modelowaniu mózgu otworzą drogę do "cyfrowych bliźniaków" w medycynie mózgu. Chodzi o rodzaj spersonalizowanego cyfrowego i wirtualnego modelu (rodzaju kolejnej mapy) mózgu, który może być stale aktualizowany o zmierzone dane ze świata rzeczywistego uzyskane od jego odpowiednika, czyli pacjenta. Wirtualne mózgi mogłyby w przyszłości być wykorzystywane jako kluczowa pomoc w podejmowaniu decyzji terapeutycznych, w celu zwiększenia precyzji lokalizacji aktywności ataków oraz w planowaniu chirurgicznym, jednak obecnie modele te mają wciąż ograniczenia, takie jak niska rozdzielczość przestrzenna.
Mirosław Usidus
