Υπολογιστικό μοντέλο προσομοιώνει το σχηματισμό συνάψεων στον εγκέφαλο

Οι συνάψεις είναι δομές μέσω των οποίων ένα χημικό ή ηλεκτρικό σήμα περνά από τον ένα νευρώνα στον άλλο 

Ερευνητές του Προγράμματος Blue Brain, το οποίο έχει απώτερο στόχο τη δημιουργία ενός εικονικού ανθρώπινου εγκεφάλου, ανακοίνωσαν ότι κατάφεραν για πρώτη φορά να προβλέψουν τη δημιουργία συνδέσεων ανάμεσα σε χιλιάδες νευρώνες -ένα επίτευγμα που αναμένεται να βοηθήσει στη διαλεύκανση ενός μεγάλου μυστηρίου των νευροεπιστημών.
Ανατομικές μελέτες έχουν δείξει εδώ και δεκαετίες ότι τα νευρικά κύτταρα του εγκεφάλου σχηματίζουν απολήξεις με τις οποίες συνδέονται με εκατοντάδες ή και χιλιάδες άλλους νευρώνες ταυτόχρονα. Οι συνδέσεις αυτές, γνωστές ως συνάψεις, είναι δομές μέσω των οποίων ένα χημικό ή ηλεκτρικό σήμα περνά από το ένα κύτταρο στο άλλο.
Μέχρι σήμερα, όμως, οι νευροεπιστήμονες δεν γνωρίζουν με βεβαιότητα πώς σχηματίζεται αυτό το περίπλοκο δίκτυο συνδέσεων. Μια θεωρία είναι ότι οι νευρώνες αναπτύσσουν προεκβολές (άξονες και δενδρίτες) προς τυχαίες κατευθύνσεις, και οι συνάψεις σχηματίζονται στα σημεία όπου οι προεκβολές αυτές διασταυρώνονται. Μια άλλη πιθανότητα, όμως, είναι ότι οι απολήξεις δεν αναπτύσσονται σε τυχαίες κατευθύνσεις αλλά αντίθετα ακολουθούν χημικά σήματα που τα καθοδηγούν να δημιουργήσουν συνάψεις με συγκεκριμένους νευρώνες.
Τα τελευταία αποτελέσματα του προγράμματος Blue Brain, τα οποία δημοσιεύονται στην αμερικανική επιθεώρηση PNAS, δείχνουν να συνηγορούν στην πρώτη από τις δύο θεωρίες.
Αξιοποιώντας λεπτομέρειες που έχουν συγκεντρωθεί τα τελευταία 20 χρόνια για την τρισδιάστατη μορφολογία και τις ηλεκτροχημικές ιδιότητες των νευρώνων, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα σύνολο από 10.000 εικονικούς νευρώνες τοποθετημένους στην ίδια τυχαία διάταξη που απαντάται και στον αντίστοιχο ζωντανό ιστό του εγκεφάλου.
Οι ερευνητές προσομοίωσαν τη συμπεριφορά αυτού του εικονικού νευρικού δικτύου σε έναν υπερυπολογιστή Blue Gene της IBM. Όπως διαπίστωσαν, τα σημεία όπου διασταυρώνονταν οι απολήξεις των νευρώνων ταίριαζαν με τις τοποθεσίες των συνάψεων στον αντίστοιχο ζωντανό ιστό.
Το υπολογιστικό μοντέλο βρέθηκε τελικά ότι μπορεί να προβλέπει και να χαρτογραφεί το δίκτυο των συνάψεων με ακρίβεια από 75 έως 95 τοις εκατό.
«Πρόκειται για ιδιαίτερα σημαντικό επίτευγμα, αφού θα χρειάζονταν δεκαετίες, αν όχι αιώνες, προκειμένου να χαρτογραφηθεί η θέση καθεμίας σύναψης στον εγκέφαλο. Καθιστά επίσης ευκολότερη την ανάπτυξη ακριβών μοντέλων» σχολιάζει ο Χένρι Μάρκαμ, επικεφαλής του προγράμματος Blue Brain στην Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Λωζάννης.
Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, επισημαίνει η ερευνητική ομάδα, υποδεικνύουν ότι οι θέσεις των συνάψεων είναι παρόμοιες σε όλα τα άτομα του ίδιου είδους -είτε πρόκειται για αρουραίους, είτε για ανθρώπους.
Μάλιστα η πυκνότητα, η θέση και ο προσανατολισμός των νευρώνων βρέθηκαν να μην επηρεάζουν την κατανομή των θέσεων των συνάψεων.
Καθοριστικός παράγοντας για τη δημιουργία του δικτύου που απαντάται στον ζωντανό ιστό ήταν οι μικρές μορφολογικές διαφορές ανάμεσα στους νευρώνες: «Η ποικιλία στη μορφολογία των νευρώνων είναι αυτό που καθιστά ίδια τα νευρικά δίκτυα στα άτομα ενός συγκεκριμένου είδους» επισημαίνει ο Δρ Μάρκαμ.
Το πρόγραμμα Blue Gene συνεχίζεται τώρα με στόχο να προσδιοριστούν όλες οι βασικές αρχές της δομικής οργάνωσης του εγκεφάλου, και επομένως της λειτουργίας του.
Το πρόγραμμα αποσκοπεί στη δημιουργία του πρώτου εικονικού εγκεφάλου θηλαστικού έως το 2018.

Πηγη

Posted in: επιστήμη