Misterele creierului vor putea fi dezlegate prin monitorizarea întregului sistem nervos

În creierul uman există aproximativ 100 de miliarde de neuroni, fiecare neuron fiind conectat la sute de alţi neuroni. Analizând legătura dintre activitatea neuronală din creier și efectele acesteia asupra comportamentului, vom putea înţelege mai bine atât creierul, cât şi comportamentul la nivel de organism. O echipă de oameni de ştiinţă a perfecţionat tehnicile imagistice pentru a cartografia rapid activitatea neuronală la nivelul întregului sistem nervos, un progres tehnologic ce într-o zi ne-ar putea permite să înţelegem comportamentul organismelor biologice.

Reprezentare artistică a reţelei neuronale din creier. Credit: Neurons by StudioSmart/shutterstock.com

Oamenii de ştiinţă au reuşit să înţeleagă o serie de caracteristici ale sistemului nervos, astfel încât în prezent avem o imagine destul de cuprinzătoare a modului în care funcționează sistemului nervos central (SNC) la nivel microscopic şi molecular.

Următorul pas ar fi să reuşim să înţelegem funcţionarea întregului sistem nervos. Prima hartă a conexiunilor nervoase structurale de acest fel a fost publicată în anul 1986 şi aparţinea lui C. Elegans, un mic vierme având doar 302 neuroni. Neurologii din prezent studiază atât conexiunile structurale, cât şi conexiunile funcţionale pentru a înțelege activitatea neuronală. Acest domeniu din neuroştiinţă care are drept obiectiv principal identificarea conexiunilor neuronale este denumit în limba engleză „connectomics”.

Identificarea conexiunilor neuronale

Oamenii de ştiinţă utilizează echipamente avansate care pot genera imagini ale activităţii neuronale prin imagistica multimodală. Ne așteptăm ca acest domeniu din neuroştiinţă să ne dezvăluie activitatea biologică care se află în spatele proceselor mentale prin intermediul cărora organismele execută sarcini complexe. În cele din urmă, această disciplină ne-ar putea evidenţia baza neuronală a cogniţiei.

Aceste imagini se obţin aplicând diferite metode imagistice cum ar fi rezonanta magnetică nucleară RMN sau electroencefalograma EEG, utilizate în mod obișnuit în spitale. Deoarece fiecare metodă vizează un aspect diferit al creierului, imagistica multimodală reprezintă abordarea ideală pentru a genera o imagine care reprezintă funcționarea unui întreg sistem.

Folosind aceste metode de investigare, dar şi altele, o echipă de neurologi a monitorizat activitatea neuronală la nivelul întregului sistem nervos central al unei larve de Drosophila (N.t. Musculiţele de fructe). Această larvă are un sistem nervos central suficient de mic pentru a fi încadrat în câmpul de vedere al unui microscop.

Activitatea neuronală din sistemul nervos central al larvelor de Drosophila. Credit: Lemon et al/Nature

În mare viteză și în detalii fine

Inginerii au construit un microscop de mare viteză pentru imagistica multidimensională ce este capabil să obţină imagini ale unor structuri anatomice la o scară microscopică, înregistrând activitatea neuronală prin capturarea a cinci imagini în fiecare secundă.

Frecvența ridicată de eșantionare se realizează prin deplasarea atât a sursei de lumină, cât şi a sistemului de detectare, în raport cu obiectul staționar, pentru a crea imagini 3D. Prin utilizarea acestui microscop, autorii studiului au putut obţine imagini ale sistemului nervos central și al măduvei nervoase (cum ar fi măduva spinării la mamifere) pentru larvele de Drosophila. Ei au putut înregistra activitatea a mai mult de 10.000 de neuroni în timp ce sistemul nervos central era excitat, în mod artificial, pentru a imita mersul înainte și înapoi.

Scopul cercetării a fost acela de a înţelege modul prin care centrii de control din creier coordonează mișcarea. În acest fel s-au obţinut hărțile funcționale ale rețelelor neuronale pentru larvele musculiţelor de fructe. Acestea evidenţiază modul prin care neuronii individuali se conectează reciproc și controlează mișcarea. Studiile viitoare ar putea analiza alte mișcări sau circumstanțe diferite pentru a construi o hartă mai cuprinzătoare a reţelelor neuronale specifice larvelor de Drosophila – o realizare majoră în neuroştiinţă.

De la musculiţe la mamifere

SUA a lansat programul BRAIN Initiative pentru a utiliza această tehnologie în studiul creierului uman şi pentru modelarea unor sisteme funcționale, cum ar fi retina. Deşi se poate detecta simultan activitatea neuronală la o rezoluţie micrometrică, încă nu se poate obţine o rată de de eșantionare suficient de mare  pentru monitorizarea sistemelor nervoase complexe ale mamiferelor. Cu toate acestea, în cadrul proiectului Human Connectome s-au înregistrat progrese importante în ceea ce priveşte imagistica aplicată structurilor creierului uman.

Conexiunile din materia albă obţinute prin IRM. Credit: Xavier Gigandet et al, CC BY

Imagistica prin rezonanţă magnetică (IRM) este o tehnică medicală non-invazivă care permite obţinerea unor imagini cu o rezoluție foarte bună. Oamenii de ştiinţă care lucrează la proiectul Human Connectome au obţinut imagini uimitoare ale conexiunilor structurale din creierul uman folosind un scaner dedicat IRM, astfel încât putem spera ca pe baza viitoarelor inovaţii tehnologice să obținem noi cunoștințe despre conectivitatea structurală și funcțională a creierului uman.

Traducere şi adaptare după Recording the entire nervous system în real time will unlock secrets of the brain