25ετές φιλόδοξο πλάνο παγκόσμιας επιστημονικής συνεργασίας για τη λεπτομερή χαρτογράφηση εγκεφάλου θηλαστικών

Μια νέα μεγάλη διεθνής επιστημονική συνεργασία (με συμμετοχές από Αυστραλία, Γερμανία, Ουγγαρία, Ινδία, Κορέα και Ισπανία) με χρονικό ορίζοντα 25ετίας και επικεφαλής Κινέζους επιστήμονες, στοχεύει στη δημιουργία λεπτομερών χαρτών εγκεφάλου πρωτευόντων θηλαστικών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, συνδυάζοντας την απεικόνιση αιχμής, τη χωρική μεταγραφωμική*, την τεχνητή νοημοσύνη κ.α. 

 

*Η χωρική μεταγραφωμική (spatial transcriptomics) είναι μια τεχνολογία που χαρτογραφεί και ποσοτικοποιεί τη γονιδιακή έκφραση μέσα στη φυσική δομή ενός ιστού. Συνδυάζει την παραδοσιακή ιστολογία με την αλληλούχιση RNA για να δείξει πού εκφράζονται τα γονίδια, επιτρέποντας να κατανοήσουμε την χωρική οργάνωση των κυττάρων και τις αλληλεπιδράσεις τους μέσα στον ιστό. Αυτό παρέχει νέες γνώσεις σχετικά με τις ασθένειες, την ανάπτυξη και τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα επικοινωνούν με το περιβάλλον τους.

 

Την τελευταία δεκαετία, οι ερευνητές χαρτογράφησαν πλήρως τους εγκεφάλους φρουτόμυγας και ψαριών-ζέβρας σε επίπεδο μεμονωμένων κυττάρων και νευρωνικών κυκλωμάτων. Τον Δεκέμβριο του 2023, η ομάδα παρουσίασε το μεταγράφωμα του εγκεφάλου του ποντικού, ενώ το πλήρες διάγραμμα καλωδίωσης των προβολών των κυττάρων και των συνάψεων (connectome) για το ποντίκι, είναι εφικτό εντός 5 έως 10 ετών. Για σύγκριση, ο εγκέφαλος ενός μαρμοζέτου (είδος μαϊμούς), που έχει μέγεθος μισού καρυδιού, έχει διπλάσια κύτταρα από ένα ποντίκι, ήτοι περισσότερους από 1 δισεκατομμύριο νευρώνες. Ο εγκέφαλος ενός μακάκου (είδος πιθήκου), που έχει το μέγεθος αβοκάντο, έχει περίπου 13 δισεκατομμύρια νευρώνες, και οι εγκέφαλοί μας, που έχουν μέγεθος γκρέιπφρουτ, 86 δισεκατομμύρια. «Κανένα μεμονωμένο ινστιτούτο ή έθνος δεν μπορεί να χαρτογραφήσει πλήρως τον εγκέφαλο των πρωτευόντων στην απαιτούμενη κλίμακα», αναφέρει ο Dong Won Kim, νευροεπιστήμονας και μέλος της ομάδας.

 

Στόχος είναι η χαρτογράφηση νευρωνικών κυκλωμάτων σε μεσοσκοπική κλίμακα (μέχρι το κυτταρικό επίπεδο) για την καλύτερη κατανόηση της εξέλιξης, της λειτουργίας και των ασθενειών του εγκεφάλου. Το εγχείρημα αυτό θα μας δώσει πολύτιμες γνώσεις για τους κυτταρικούς και μοριακούς μηχανισμούς πίσω από νευρολογικές παθήσεις, από ένα εγκεφαλικό επεισόδιο έως τη νόσο Alzheimer που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέες θεραπείες. Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν επίσης να παρέχουν ενδείξεις, για τις γνωστικές διεργασίες που ευθύνονται για την ανθρώπινη συμπεριφορά και φύση.

 

Περισσότερα: https://www.science.org/.../china-launches-ambitious...

 

Εικόνα: Y. Wang, L. Gou, και J. Yan / Institute of Neuroscience – Center for excellence in brain science and intelligence technology – Chinese Academy of Sciences.

 

Περισσότερα για τη χαρτογράφηση του ανθρώπινου εγκεφάλου, τις πιθανές συνέπειες αλλά και τις ευρύτερες εξελίξεις στην Επιστήμη και την Τεχνολογία τόσο στο άμεσο αλλά και στο βαθύ μέλλον, θα βρείτε στον συναρπαστικό τόμο ΙΙΙ του έργου «Τα φυσικά φαινόμενα» (εκδόσεις «Οσελότος»), τον οποίο μπορείτε να αποκτήσετε από τη σελίδα μας με έκπτωση και μηδενικά έξοδα αποστολής με ένα μήνυμα! Ρωτήστε μας!

 

 

Για 1η φορά πλήρης χαρτογράφηση του εγκεφαλικού δικτυώματος μιας μύγας

Στις 2/10, δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό “Nature”, για πρώτη φορά μια πλήρης χαρτογράφηση του εγκεφαλικού δικτυώματος (connectome) μιας ενήλικης φρουτόμυγας (Drosophila melanogaster) στο οποίο αναγνωρίζονται περισσότεροι από 140000 νευρώνες και 50 εκατομμύρια συνάψεις, κάτι που αποτελεί ιστορικό εγχείρημα, καθώς μέχρι σήμερα είχαμε χαρτογραφήσει δικτυώματα για πολύ απλούστερους οργανισμούς. Για την επίτευξη αυτού του εγχειρήματος, χρειάστηκε να συνεργαστούν 127 ινστιτούτα. 

 

Για να πραγματοποιηθεί αυτή η χαρτογράφηση, έγινε φωτογράφιση με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σε περισσότερες από 7000 πολύ λεπτές φέτες εγκεφάλου μιας θηλυκής μύγας φρούτων, ενώ χρησιμοποιήθηκε αλγόριθμος μηχανικής μάθησης ο οποίος ευθυγράμμιζε τους λεπτούς δενδρίτες των νευρώνων ανάμεσα στις φωτογραφίες, ώστε να φτάσουμε στην τελική εικόνα του δικτυώματος.

Αν και ο ανθρώπινος εγκέφαλος περιέχει περίπου 6 τάξεις μεγέθους (1000000 φορές) περισσότερους νευρώνες από τη μύγα, το επίτευγμα αυτό θεωρείται κομβικής σημασίας, καθώς πρόκειται για το πρώτο δικτύωμα ενός οργανισμού που μοιράζεται με εμάς πιο σύνθετες συμπεριφορές όπως η μάθηση, η εύρεση προσανατολισμού, το περπάτημα, η κοινωνικοποίηση κ.α. 

 

Αυτό το δικτύωμα είναι μόνο η αρχή, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κατανοήσουμε ποιοι νευρώνες και ποια υποσυστήματα ενεργοποιούνται όταν μιλάμε, τρώμε, περπατάμε, πώς αλλάζουν αυτά τα δικτυώματα με τον χρόνο, αν και πώς μπορούν να προβλεφθούν συμπεριφορές, κ.α. Με ένα τέτοιο δικτύωμα μπορεί κάποιος να φτιάξει ένα πραγματικό «αντίγραφο» (έναν «ψηφιακό δίδυμο» ή “digital twin”) της μύγας ή άλλων οργανισμών μελλοντικά, καθώς μπορούν να εξομοιωθούν οι αντιδράσεις του δικτυώματος αυτού σε εξωτερικά ερεθίσματα, προβλέποντας πιθανές μελλοντικές συμπεριφορές.

 

Περισσότερα, μαζί με όλες τις δημοσιεύσεις για το εγχείρημα: https://www.nature.com/imme.../d42859-024-00053-4/index.html

 

Στη φωτογραφία φαίνονται οι 50 μεγαλύτεροι νευρώνες από τον εγκέφαλο της φρουτόμυγας. (Tyler Sloan and Amy Sterling - FlyWire/Princeton University / Dorkenwald et al., Nature, 2024)

 

Περισσότερα για τους «ψηφιακούς διδύμους», τη χαρτογράφηση του ανθρώπινου εγκεφάλου, τις πιθανές συνέπειες αλλά και τις ευρύτερες εξελίξεις στην Επιστήμη και την Τεχνολογία τόσο στο άμεσο αλλά και στο βαθύ μέλλον, θα βρείτε στον συναρπαστικό τόμο ΙΙΙ του έργου «Τα φυσικά φαινόμενα» (εκδόσεις «Οσελότος»), τον οποίο μπορείτε να αποκτήσετε από τη σελίδα μας με έκπτωση και μηδενικά έξοδα αποστολής με ένα μήνυμα! Ρωτήστε μας!

 

 

Το «συνδέσμωμα» του εγκεφάλου μιας μύγας

Στην εικόνα βλέπετε περίπου το 1/3 του εγκεφάλου μιας μύγας (περίπου 250 μικρόμετρα), με την απεικόνιση να έχει ανάλυση σε επίπεδο νευρωνικών συνάψεων. Συγκεκριμένα, σε αυτό το connectome (στα ελληνικά έχει προταθεί ο όρος «συνδέσμωμα» και έχει την έννοια της «καλωδίωσης» του εγκεφάλου), απεικονίζονται περίπου 25000 νευρώνες διασυνδεδεμένοι μέσω 20 εκατομμυρίων νευρωνικών συνάψεων.

Ξεκινώντας από μικρότερους και λιγότερο πολύπλοκους εγκεφάλους, όπως της μύγας (με απώτερο στόχο να φτάσουμε στον ανθρώπινο εγκέφαλο), μοντέλα σαν και αυτό μπορούν να συνεισφέρουν στην κατανόηση της σύνδεσης μεταξύ της δομής του εγκεφάλου και κρίσιμων νευρολογικών λειτουργιών.

Η απεικόνιση αυτή δεν είναι τετριμμένη υπόθεση καθώς, εκτός των άλλων, τα δεδομένα που παράγονται από μόλις 1 κυβικό χιλιοστό εγκεφαλικού ιστού υπερβαίνουν το 1 PB δεδομένων.

Περισσότερα: https://www.janelia.org/project-team/flyem/hemibrain