Ο ανθρώπινος εγκέφαλος ξεκινά από ένα μόνο κύτταρο. Με τον χρόνο, αυτό το μοναδικό κύτταρο δίνει μορφή σε ένα εξαιρετικά περίπλοκο όργανο με περίπου 170 δισεκατομμύρια κύτταρα. Ένα από τα μεγάλα ερωτήματα της αναπτυξιακής νευροεπιστήμης είναι πώς όλα αυτά τα κύτταρα καταλήγουν στις σωστές θέσεις ώστε να σχηματιστεί ένας λειτουργικός εγκέφαλος.
Ερευνητές στο Cold Spring Harbor Laboratory εκτιμούν ότι η απάντηση ίσως είναι πιο απλή απ’ όσο νομίζαμε. Η νέα τους εργασία φωτίζει πώς ο εγκέφαλος οργανώνεται κατά την ανάπτυξη και μπορεί μελλοντικά να επηρεάσει έρευνα από τη βιολογία έως την τεχνητή νοημοσύνη.
Ο Stan Kerstjens, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του καθηγητή Anthony Zador, περιγράφει την πρόκληση ως ζήτημα «πληροφορίας θέσης».
«Το μόνο που ένα κύτταρο “βλέπει” είναι τον εαυτό του και τους γείτονές του», λέει. «Αλλά η τύχη του εξαρτάται από το πού βρίσκεται. Ένα κύτταρο στο λάθος σημείο γίνεται το λάθος πράγμα και ο εγκέφαλος δεν αναπτύσσεται σωστά. Έτσι, κάθε κύτταρο πρέπει να λύσει δύο ερωτήματα: Πού βρίσκομαι; Και τι πρέπει να γίνω;»
Σε μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Neuron, οι Kerstjens, Zador και συνεργάτες τους από το Harvard University και το ETH Zürich προτείνουν μια νέα θεωρία για το πώς ο αναπτυσσόμενος εγκέφαλος πετυχαίνει αυτό το επίπεδο οργάνωσης.
Για δεκαετίες, η επικρατούσα άποψη ήταν ότι τα κύτταρα ανταλλάσσουν πληροφορία θέσης μέσω χημικών σημάτων. Όπως σημειώνει ο Kerstjens, αυτή η εξήγηση λειτουργεί καλά σε σχετικά μικρά συστήματα με λίγα κύτταρα.
Ο αναπτυσσόμενος εγκέφαλος, ωστόσο, περιλαμβάνει δισεκατομμύρια νευρώνες που πρέπει να φτάσουν στο σωστό σημείο. Επειδή τα χημικά σήματα εξασθενούν όσο ταξιδεύουν, οι ερευνητές αναρωτιόνταν πώς τα κύτταρα βαθιά μέσα σε έναν αναπτυσσόμενο εγκέφαλο μπορούν να προσδιορίσουν με ακρίβεια τη θέση τους.
Ο Kerstjens προτείνει ότι μέρος της απάντησης θυμίζει τον τρόπο με τον οποίο εξαπλώνονται ανθρώπινοι πληθυσμοί μέσα σε γενιές. «Σκεφτείτε πώς οι ανθρώπινοι πληθυσμοί εξαπλώνονται σε μια χώρα με το πέρασμα γενεών», λέει. «Οι απόγονοι εγκαθίστανται κοντά στους γονείς τους, οπότε άνθρωποι με κοινή καταγωγή καταλήγουν σε γειτονικές περιοχές, δημιουργώντας μεγάλης κλίμακας γεωγραφικές δομές χωρίς επικοινωνία μεγάλων αποστάσεων. Υποστηρίζουμε ότι μια παρόμοια αρχή λειτουργεί στον αναπτυσσόμενο εγκέφαλο. Κύτταρα που προέρχονται από τον ίδιο πρόγονο τείνουν να παραμένουν κοντά μεταξύ τους.»
Για να διερευνήσουν την ιδέα, οι ερευνητές ανέπτυξαν αυτό που περιγράφουν ως «μοντέλο πληροφορίας θέσης που κλιμακώνεται, βασισμένο στη γενεαλογία». Πρώτα πραγματοποίησαν θεωρητικούς υπολογισμούς για να δουν αν το σχήμα μπορεί να λειτουργήσει. Στη συνέχεια εξέτασαν πρότυπα γονιδιακής έκφρασης σε αναπτυσσόμενους εγκεφάλους ποντικών, τόσο σε επίπεδο μεμονωμένων κυττάρων όσο και μεγαλύτερων κυτταρικών ομάδων. Τέλος, δοκίμασαν το μοντέλο σε zebrafish και βρήκαν παρόμοια αποτελέσματα, υποδεικνύοντας ότι ο μηχανισμός μπορεί να ισχύει σε εγκεφάλους διαφορετικού μεγέθους.
Τα ευρήματα δείχνουν ότι τα χημικά σήματα και η κυτταρική γενεαλογία πιθανόν συνεργάζονται για να παρέχουν πληροφορία θέσης κατά την ανάπτυξη.
Αν και η έρευνα εστιάζει στον εγκέφαλο, ο Kerstjens επισημαίνει ότι η βασική αρχή μπορεί να ισχύει και για άλλα αναπτυσσόμενα ιστικά, συμπεριλαμβανομένων των όγκων. Η θεωρία ενδέχεται επίσης να έχει συνάφεια για μελλοντικά αυτοαναπαραγόμενα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης: όπως τα εγκεφαλικά κύτταρα κληρονομούν πληροφορία μέσα από γενιές κυττάρων, έτσι και μελλοντικά μοντέλα που μεταβιβάζουν πληροφορία από γενιά σε γενιά ίσως βασίζονται σε παρόμοιες οργανωτικές αρχές.
Ίσως η σημαντικότερη προέκταση αφορά όσα μπορεί να μας αποκαλύψει για την ίδια τη νοημοσύνη. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ένα μόνο κύτταρο εξελίσσεται σε έναν άκρως οργανωμένο εγκέφαλο μπορεί να βοηθήσει στην απάντηση θεμελιωδών ερωτημάτων για το μυαλό.
«Ο εγκέφαλος με κάποιον τρόπο μάς καθιστά ευφυείς», λέει ο Kerstjens. «Πώς κατάφερε να συσσωρεύσει αυτή την ικανότητα, όχι μόνο στον χρόνο της ανάπτυξής του, αλλά και στον εξελικτικό χρόνο; Αυτό είναι ένα κομμάτι αυτού του μεγάλου παζλ.»
Υλικό από το Cold Spring Harbor Laboratory. Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να έχει υποστεί επεξεργασία για λόγους ύφους και έκτασης.
Scientists May Have Discovered How To Heal Damaged Kidneys
Rare Goblin Shark Spotted Alive in Its Natural Habitat for the First Time
Scientists Just Found All 5 Genetic “Letters” of DNA and RNA on an Asteroid
Japanese Researchers Unlock a Powerful New Way To Edit and Assemble DNA
