Μία μελέτη στο περιοδικό Neuron – που παρουσιάζει μια άνευ προηγουμένου ταυτόχρονη καταγραφή της δραστηριότητας ενός εκατομμυρίου νευρώνων σε ποντίκια – προσφέρει μια εκπληκτική απάντηση: ο εγκέφαλος είναι πολύ περισσότερο απ’ ό,τι νομίζαμε κάποτε και μία τόσο εκτεταμένη παρατήρηση αλλάζει τα δεδομένα σχετικά με την κατανόησή του. “Οι προηγούμενες υποθέσεις σχετικά με την πραγματική διαστατικότητα της δυναμικής του εγκεφάλου μπορεί να οφείλονταν στην έλλειψη δυνατότητας καταγραφής από έναν αρκετά μεγάλο αριθμό νευρώνων”, λέει επιστήμονας που συμμετείχε στην έρευνα.
Χρησιμοποιώντας μια προσαρμοσμένη τεχνική που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι περισσότερο από το 90% των διαστάσεων που παρατήρησαν στη νευρωνική δραστηριότητα δεν συνδέονταν με καμία αυθόρμητη κίνηση ή αισθητηριακή είσοδο στα ποντίκια που μελετήθηκαν. Χιλιάδες από αυτές τις διαστάσεις, που περιείχαν πάνω από το ήμισυ της αθροιστικής νευρωνικής δραστηριότητας των ποντικών, ήταν διασκορπισμένες στον εγκέφαλο στο χώρο και στο χρόνο, χωρίς να σχηματίζουν διακριτές ομάδες σε κάποια περιοχή και με χρονικό εύρος από λεπτά έως λιγότερο από δευτερόλεπτα.
Το ποντίκι χρησιμοποιούσε ξεκάθαρα αυτό το θόρυβο της διάχυτης, συνεχούς δραστηριότητας για κάποιο σκοπό. Αλλά για ποιο σκοπό; “Ακόμα δεν ξέρουμε, αλλά πρόκειται σίγουρα για ένα σήμα που ξεχωρίζει από τον θόρυβο”, λέει ο Vaziri. “Θα μπορούσε να προσφέρει ένα παράθυρο σε μια ποικιλία πολύπλοκων εσωτερικών καταστάσεων ή νευροϋπολογισμών”.
Νευρικές αναλαμπές
Το εργαστήριο του Vaziri επικεντρώνεται στην ανάπτυξη οπτικών τεχνολογιών για την προώθηση της νευροεπιστήμης και τη δυνατότητα παρατήρησης της ταυτόχρονης δραστηριότητας πολλών νευρώνων κατανεμημένων σε ολόκληρο τον εγκέφαλο. Το 2021 το εργαστήριο ανέπτυξε τη μικροσκοπία light-beads, μια τεχνική απεικόνισης δύο φωτονίων που επέτρεψε με μοναδικό τρόπο την 100πλάσια αύξηση του αριθμού των νευρώνων που μπορούν να καταγραφούν ταυτόχρονα. Δοκιμάζοντας την τεχνολογία, οι ερευνητές κατέγραψαν για πρώτη φορά τη δραστηριότητα περισσότερων από ένα εκατομμύριο νευρώνων σε ολόκληρο τον φλοιό του εγκεφάλου ποντικιών, ενώ τα ζώα παρακολουθούνταν από πολλαπλές κάμερες από διαφορετικές γωνίες καθώς επιδίδονταν σε αυθόρμητες και μη καθοδηγούμενες συμπεριφορές, όπως το τρέξιμο σε διάδρομο ή η περιποίηση.
Έχοντας αποδείξει την αποτελεσματικότητα του εργαλείου, το εργαστήριο ενδιαφέρθηκε να το χρησιμοποιήσει για την αντιμετώπιση θεμελιωδών ερωτημάτων στη νευροβιολογία. “Είχαμε ένα εργαλείο που θα μπορούσε να μας επιτρέψει να κάνουμε ανακαλύψεις που άλλες τεχνολογίες δεν μπορούσαν να κάνουν”, λέει ο Vaziri. “Έτσι προσπαθήσαμε να θέσουμε ερωτήματα που μόνο ένα τέτοιο εργαλείο θα μπορούσε να απαντήσει. Ενδεικτικά: πόσο περισσότερες πληροφορίες εξάγουμε καθώς συνεχίζουμε να καταγράφουμε από όλο και περισσότερους νευρώνες και τι αντιπροσωπεύουν αυτές οι πληροφορίες;”
Για να το διερευνήσουν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την LBM σε συνδυασμό με προηγμένες τεχνικές ανάλυσης δεδομένων, υπολογιστικής μοντελοποίησης και μηχανικής μάθησης για να μελετήσουν τη νευρική δραστηριότητα ποντικιών καθώς αυτά μετακινούνταν αυθόρμητα και αντιδρούσαν στο περιβάλλον τους.
Το 90 τοις εκατό που λείπει
Η νευρωνική δραστηριότητα που συνδέεται με τις κινήσεις των ζώων ήταν γνωστό ότι εξορθολογίζεται σε έναν υποχώρο χαμηλών διαστάσεων, επιτρέποντας σε προηγούμενες τεχνικές, οι οποίες μπορούσαν να καταγράψουν λιγότερους νευρώνες, να εντοπίσουν αυτές τις συνδέσεις. “Ωστόσο, μόνο χάρη στη δυνατότητα του LBM μπορέσαμε να ανακαλύψουμε ότι πάνω από το 90 τοις εκατό των υπόλοιπων διαστάσεων περιείχαν αξιόπιστα σήματα που ξεχώριζαν από το θόρυβο, δεν απαιτούνταν για τη συμπεριφορά και δεν εξηγούνταν από περιβαλλοντικά ερεθίσματα”, λέει ο Vaziri.
Απροσδόκητα, αυτοί οι νευρώνες πυροδοτούσαν επίσης παντού. “Τι κάνουν; Δεν ξέρουμε”, λέει ο Vaziri. “Μπορεί να βρίσκονται πίσω από ένα δίκτυο συσχετιζόμενων νευρωνικών διακυμάνσεων σε ολόκληρο τον εγκέφαλο, που ίσως σχετίζονται με κάποιο είδος δυναμικής εσωτερικής κατάστασης, όπως η πείνα ή τα κίνητρα”.
Το πώς αυτό μπορεί να εφαρμοστεί στον ανθρώπινο εγκέφαλο δεν έχει ακόμη διευθετηθεί (“ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ένας ωκεανός σε σύγκριση με τη λίμνη του εγκεφάλου ενός ποντικιού”, λέει ο Vaziri), αλλά τα ευρήματα υποδηλώνουν έντονα ότι μόλις τώρα αρχίζουμε να κατανοούμε την πραγματική πολυπλοκότητα του εγκεφάλου των θηλαστικών.
Ένα νέο είδος παρατηρητηρίου
Το LBM είναι ένα από τα βασικά όργανα που θα βρουν στέγη στο Rockefeller Brain Observatory, μια νέα πρωτοβουλία της οποίας ηγείται ο Vaziri για να καταστήσει πρωτοποριακά, εμπορικά μη διαθέσιμα όργανα προσιτά στους νευροεπιστήμονες “που μπορούν να κάνουν πράγματα που διαφορετικά είναι αδύνατα”, λέει ο Vaziri.
Η εγκατάσταση μοιάζει με ένα αστρονομικό παρατηρητήριο, όπου οι επισκέπτες επιστήμονες θα μπορούν να διεξάγουν έρευνα σε ισχυρά όργανα. “Η ιδέα είναι ότι οι άνθρωποι θα υποστηρίζονται από το προσωπικό καθώς θα διεξάγουν έρευνα χρησιμοποιώντας τα μικροσκόπια του κέντρου”, λέει. “Είναι κάτι που θέλουμε να ανοίξουμε στην κοινότητα του Rockefeller αλλά και σε νευροεπιστήμονες από όλο τον κόσμο”.
Ο Vaziri και η ομάδα του βοηθούν επίσης ερευνητές σε διάφορα πανεπιστήμια, μεταξύ άλλων στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και στο UCL-Λονδίνο, να αναπαράγουν την τεχνολογία LBM στα δικά τους εργαστήρια νευροεπιστημών. Τα δεδομένα που έχουν συγκεντρώσει από την τρέχουσα μελέτη είναι επίσης διαθέσιμα για ανάλυση από άλλους ερευνητές.
Ελπίζουν επίσης να αυξήσουν το εύρος εφαρμογής της LBM. “Για παράδειγμα, θα θέλαμε να καλωσορίσουμε ερευνητικές ομάδες που εργάζονται με διαφορετικά συστήματα μοντέλων πέρα από τα ποντίκια – έντομα, πρωτεύοντα θηλαστικά κ.ο.κ. – οπότε πρέπει να έχουμε εκδόσεις του LBM που να είναι πιο ευέλικτες, ανθεκτικές και φιλικές προς τον χρήστη”, λέει ο Vaziri.