Myślę, więc jestem konektomem

[ARTYKUŁ popularnonaukowy]

Human Connectome Project dał naukowcom z całego świata zupełnie nowy wgląd w strukturę i działanie mózgu, a wyniki badań można już dziś oglądać w internecie. Co tak naprawdę mu zawdzięczamy?

Dominika Walecka

Jaka jest najbardziej złożona rzecz na świecie? Może struktura mrowiska, sieć dróg w Stanach, układy scalone superkomputerów NASA, wnętrze damskiej torebki albo sam wszechświat? Zdaniem pokaźnej rzeszy naukowców, odpowiedź brzmi: ludzki mózg. To on towarzyszy nam przez cały czas, skrzętnie ukryty pod cienką skorupą czaszki, przyczajony, jakby nieobecny, spogląda naszymi oczami, wypowiada nasze myśli. W gruncie rzeczy nie tyle posiadamy mózg, co nim jesteśmy.

Mimo to, wciąż wiemy o nim zaskakująco mało. Gdybyśmy mogli dogłębnie, co do pojedynczej komórki, poznać strukturę i działanie mózgu, byłby to prawdopodobnie rewolucyjny skok nie tylko dla nauki, ale także dla naszego postrzegania inteligencji i świadomości. I choć wobec ogromu połączeń nerwowych wydaje się to abstrakcją, istnieją ludzie, którzy postanowili podjąć to wyzwanie.

Grono naukowców z: Washington University in St. Louis (WU), Minnesota State University, University of California, Los Angeles (UCLA) i Harvard University oraz z Massachusetts General Hospital (MGH), utworzyło dwa zespoły badawcze, aby połączonymi siłami stworzyć pierwszą, trójwymiarową, wirtualną mapę sieci neuronowej człowieka, czyli naszego konektomu. W ten sposób w roku 2010 powołano do życia Human Connectome Project, w skrócie HCP. Został rozpoczęty w momencie podjęcia przez amerykański Narodowy Instytut Zdrowia (NIH) decyzji o przeznaczeniu na cel zmapowania konektomu Homo sapiens niebagatelnej kwoty, łącznie prawie 40 milionów dolarów. Jednak w żadnym razie czas ten nie wystarczył na spenetrowanie wszystkich dróg i połączeń mózgu. Główną intencją NIH była raczej inicjacja przedsięwzięcia, zakrawającego na prawdziwie długodystansowe zadanie, niczym budowa neurobiologicznej piramidy. Być może, ze względu na ułomności dzisiejszych technologii, ukończyć go będzie potrafiło dopiero następne pokolenie uczonych.


Uzyskanie tak dużej rozdzielczości i sprawności w rejestrowaniu zmian w żywym mózgu wymaga sprzętu, który póki co pozostaje w sferze marzeń.


Konektomika nie jest najmłodszą z nauk. Wprawdzie osobną gałęzią neuronauk określono ją oficjalnie zaledwie kilka lat temu, lecz dane na temat pierwszego – i, póki co, jedynego – w pełni poznanego konektomu opublikowano przed blisko trzydziestoma laty. Należy on do Caenorhabditis elegans, znanego „pupilka” biologów eksperymentatorów – nicienia. Jego układ nerwowy, zbudowany z zaledwie 302 komórek, nie może równać się z liczącym około 100 miliardów neuronów ludzkim mózgiem.

Minione 5 lat zespół WU-Minn poświęcił na wykonanie szczegółowych skanów mózgów 1200 zdrowych dorosłych. Użycie w tym celu bliźniąt oraz ich nie-bliźniaczego rodzeństwa pozwala efektywnie porównywać coraz to nowe dane konektomiczne z genomowymi. Odkrywając bowiem różnice i podobieństwa w konektomach osób o identycznych lub podobnych genotypach mamy szansę lepiej zrozumieć relację pomiędzy naszym DNA a strukturami sieci nerwowej.

W całość badań weszły również testy behawioralne. Mapowanie ścieżek neuronowych najszybciej przebiega w skali makro, to znaczy wtedy, kiedy skanowaniu podlegają większe trakty informacyjne Taki sposób mapowania ukazuje zmiany aktywności specyficznych ośrodków, do milimetra rozdzielczości przestrzennej. Największą trudność sprawia rozszyfrowywanie drogi impulsu w skali mikro, poprzez pojedyncze neurony. Uzyskanie tak dużej rozdzielczości i sprawności w rejestrowaniu zmian w żywym mózgu wymaga sprzętu, który póki co pozostaje w sferze marzeń. Wprowadzeniem jeszcze lepszych skanerów zajmuje się drugi zespół, konsorcjum MGH-Harvard-UCLA.

Dobrze, ale jak w takim razie zbadać działający mózg żywego człowieka, nie czyniąc mu krzywdy? W przypadku zwierząt laboratoryjnych, takich jak myszy, sprawa wygląda znacznie prościej. Stosuje się, na przykład, metodę zwaną Brainbow (połączenie słów brain i rainbow). Polega ona na inżynieryjnym wprowadzeniu sekwencji kodujących białka fluorescencyjne o różnych barwach do genomu danego osobnika. Efekt ten uzyskuje się poprzez skrzyżowanie zmodyfikowanych genetycznie rodziców: jedno z nich posiada gen tak zwanej rekombinazy Cre – enzymu katalizującego wymianę fragmentów DNA pomiędzy specyficznymi jego sekwencjami – u drugiego natomiast występują geny odpowiadające za produkcję pożądanych białek. Dzięki temu, iż są one losowo wytwarzane w neuronach badanej myszy, uzyskujemy za pośrednictwem odpowiedniego mikroskopu obraz rodem z kalejdoskopu, gdzie każda komórka świeci niczym jaskrawy koralik. W wypadku człowieka trzeba znaleźć inną drogę – mało kto chciałby poświęcić swój mózg w imię nauki.

Taktyki wykorzystywane w HCP do monitorowania aktywności i struktury sieci neuronowej należą do standardowych w dziedzinie neurologii. Czołową technikę, na której opiera się większość obserwacji, stanowi obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI). Badanie to jest nieinwazyjne: fale radiowe przenikają przez tkanki, nie uszkadzając ich w żaden sposób. Pacjenta wsuwa się w pozycji leżącej do wnętrza ogromnego aparatu – z racji pokaźnych gabarytów cewek generujących silne pole magnetyczne, waga owego urządzenia sięga niemal tony i zajmuje ono większą część pomieszczenia. W polu działania tego kolosalnego magnesu atomy ciała człowieka, dotknięte delikatnym promieniowaniem radiowym, zaczynają drgać, by zaraz potem, wracając do normalnego stanu, wyemitować z powrotem dawkę promieniowania. Na tej podstawie specjalistyczna aparatura ustala położenie i specyfikę poszczególnych cząstek i powstaje komputerowa wizualizacja.


Korzyści płynące ze zmapowania ludzkiego konektomu trudno wyliczyć.


Takie obrazowanie umożliwia pokazanie struktury mózgu, niemniej jednak nie informuje nas w żadnym stopniu o jego aktywności, ani też o połączeniach między neuronami. Następna generacja aparatów MRI powstała dwie dekady temu i została ochrzczona „funkcjonalnym MRI”, czyli fMRI, dzięki zdolności do wykrywania atomów tlenu we krwi, której zwiększony przepływ świadczy o czynnym zaangażowaniu jakiegoś obszaru. Wszak tlen jest nam niezbędny do wytwarzania energii w pracujących komórkach.

Inna stosowana sztuczka to śledzenie przepływu wody, podążającej w mózgu szlakami neuronów (w skrócie DTI). Odgrywa ważną rolę w neurochirurgii, zapewniając ograniczenie do minimum zniszczenia zdrowych fragmentów w trakcie operacji usuwania guza. Kolejnym przydatnym narzędziem jest EEG. Wymaga tak niewielkich nakładów finansowych, że nawet amatorzy mogą sobie pozwolić na nabycie sprzętu – wystarczy kask bądź siatka, nakładana na głowę, z przyłączonymi elektrodami, mającymi za zadanie wychwytywanie słabych impulsów elektrycznych, emitowanych bez ustanku przez mózg. Pozwala to przyglądać się czynnościom mózgu w różnych stanach, inne fale odpowiadają fazie snu, inne odprężenia, a jeszcze inne sygnalizują stan wytężonego rozmyślania. Niestety, wada EEG to mała dokładność, jako że sygnały, przechodząc przez czaszkę, ulegają rozproszeniu.

Te i wiele innych metod wykorzystują zaangażowani w HCP badacze. Sam sprzęt nadal jednak stwarza problemy, które bardzo utrudniają pracę ekipie, czy to z uwagi na zbyt małą rozdzielczość, czy niewystarczającą prędkość. Wysiłku wymaga też finalny cel projektu – wykreowanie graficznego interfejsu do nawigowania niesamowitymi ilościami danych. Jednak nie jest to niemożliwe, a rezultaty dość owocnej współpracy dwóch naukowych konsorcjów, wchodzących w skład HCP, udostępniono na oficjalnej stronie przedsięwzięcia: www.humanconnectomeproject.org

Korzyści płynące ze zmapowania ludzkiego konektomu trudno wyliczyć. Lepsze zrozumienie sposobu, w jaki komórki nerwowe są połączone, a w konsekwencji tego, jak współdziałają i komunikują się, umożliwi nam bardziej świadome spojrzenie na podłoże chorób neurologicznych i psychicznych, jak choćby schizofrenia, autyzm, dysleksja, udary, Alzheimer… Taka wiedza może mieć duże znaczenie w rehabilitacji chorych i kto wie, może w odległej przyszłości pomoże leczyć neurologiczne zaburzenia, z których wyzdrowienie dziś uważa się za nierealne? „To da badaczom nieoceniony wgląd w najważniejsze szlaki aktywności żywego mózgu, aby mogli ocenić jego budowę, funkcje, a także – być może najistotniejsze – dysfunkcje”, czytamy w internetowej broszurce HCP.

W bliższej perspektywie dają o sobie znać inne, niespodziewane korzyści w przestrzeni, chociażby… internetu. Nie bez powodu mózg ludzki powszechnie porównuje się z komputerem, zaznaczając przy tym wyższość tego pierwszego. Najbardziej złożone obiekty we wszechświecie, które nosimy na naszych karkach, są niczym innym, jak skomplikowanymi bazami danych, połączonymi z nie mniej misternymi ośrodkami ich przetwarzania. Aż trudno sobie wyobrazić, jak wyrafinowany jest ten system, że potrafi wytworzyć dynamiczną, podlegającą zmianom świadomość. Żaden z elektronicznych mózgów nie doszedł do takiego stopnia rozwoju, jednak mając nową wiedzę o strukturze naszych organicznych „maszyn myślących”, potrafimy usprawniać programy codziennego użytku czy wyszukiwarki internetowe. Implementacja siatek neuronowych już pojawiła się w informatyce, między innymi w postaci tzw. sieci Kohenena. Taki układ nazywamy „samoorganizującym się”, co z grubsza oznacza, iż potrafi on dostosowywać się do pierwotnie obcych danych wejściowych – najzwyczajniej w świecie, ma zdolność uczenia się! Możliwe, że niedaleko już do prawdziwej, świadomej, posiadającej emocje i osobowość, sztucznej inteligencji…

Tekst po raz pierwszy wydrukowany w wydaniu 1 #magazynutrójki.
Autorka tekstu prowadzi Uczniowskie Koło Biologiczne w Gdyńskiej Trójce (link)
Zdjęcie: Jer Thorp, CC BY SA 2.0

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s