Περιεχόμενα Άρθρου
Τα ζέβρα είναι ένα επιστημονικό θαυματόψαρο. Έχουν ικανότητες αναγέννησης σαν του Wolverine – και μπορούν σχεδόν εξ ολοκλήρου να αναγεννήσουν τον νωτιαίο μυελό τους μετά από βλάβη. Δίνουν επίσης στους επιστήμονες πληροφορίες για μερικές από τις πιο αρχέγονες καταστάσεις του εγκεφάλου των ζώων. Ενώ εργαζόταν με προνύμφες εβδομαδιαίας ζέβρας, μια ομάδα επιστημόνων αποκωδικοποίησε τον τρόπο με τον οποίο οι συνδέσεις που έγιναν από ένα δίκτυο νευρώνων στο εγκεφαλικό στέλεχος καθοδηγούν πού φαίνεται το ψάρι. Δημιούργησαν επίσης ένα απλοποιημένο τεχνητό κύκλωμα που μπορεί να προβλέψει την οπτική κίνηση και τη δραστηριότητα στον εγκέφαλο του ζώου. Αυτή η ανακάλυψη ρίχνει φως στον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος χειρίζεται τη βραχυπρόθεσμη μνήμη και θα μπορούσε να οδηγήσει σε μερικούς νέους τρόπους αντιμετώπισης των διαταραχών της κίνησης των ματιών στους ανθρώπους. Τα ευρήματα αναφέρονται αναλυτικά στο α μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 22 Νοεμβρίου στο περιοδικό Nature Νευροεπιστήμη. Έρχεται επίσης με μια εντυπωσιακή εικόνα που τραβήχτηκε με μικροσκόπιο, με ζωηρά χρώματα που αναδεικνύουν τις περιοχές του εγκεφάλου που ελέγχουν τις κινήσεις των ματιών.
Δύσκολα μάτια και μεταβαλλόμενες καταστάσεις του εγκεφάλου
Ο εγκέφαλος των ζώων λαμβάνει συνεχώς μια ευρεία ποικιλία αισθητηριακών πληροφοριών για το περιβάλλον, ακόμα και όταν δεν το συνειδητοποιούμε συνειδητά. Αυτά τα δεδομένα αλλάζουν συχνά από τη μια στιγμή στην άλλη και ο εγκέφαλος αντιμετωπίζει την πρόκληση να διατηρήσει αυτούς τους γρήγορους, μικρούς πυρήνες πληροφοριών για αρκετό καιρό, ώστε να έχει νόημα από αυτούς. Για παράδειγμα, πρέπει να συνδέσει τι μπορεί να είναι ένα σύνολο μυστηριωδών ήχων ή να επιτρέψει σε ένα ζώο να κρατά τα μάτια του στραμμένα σε μια περιοχή ενδιαφέροντος όπως το θήραμα ή μια πιθανή απειλή που παραμονεύει στην απόσταση.
«Η προσπάθεια κατανόησης του τρόπου με τον οποίο δημιουργούνται αυτές οι συμπεριφορές βραχυπρόθεσμης μνήμης στο επίπεδο του νευρικού μηχανισμού είναι ο βασικός στόχος του έργου», ο συν-συγγραφέας της μελέτης και φυσιολόγος Weill Cornell Medicine Emre Aksay. είπε σε δήλωση.
[Related: How animals see the world, according to a new camera system.]
Για να αποκωδικοποιήσουν τη συμπεριφορά που συμβαίνει σε αυτά τα δυναμικά κυκλώματα του εγκεφάλου, οι νευροεπιστήμονες κατασκευάζουν μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν πώς αλλάζει η κατάσταση ενός συστήματος με την πάροδο του χρόνου και πού αυτή η τρέχουσα κατάσταση καθορίζει τις μελλοντικές καταστάσεις του κυκλώματος σύμφωνα με ένα σύνολο κανόνων. Ένα από τα κυκλώματα βραχυπρόθεσμης μνήμης του εγκεφάλου θα παραμείνει σε μια ενιαία προτιμώμενη κατάσταση, μόνο μέχρι να εμφανιστεί ένα νέο ερέθισμα. Όταν εμφανιστεί αυτό το νέο ερέθισμα, το κύκλωμα θα εγκατασταθεί σε μια νέα κατάσταση δραστηριότητας. Στο οπτικοκινητικό σύστημα, κάθε μία από αυτές τις καταστάσεις μπορεί να αποθηκεύσει τη μνήμη ακριβώς που πρέπει να κοιτάζει ένα ζώο.
Ωστόσο, παραμένουν ερωτήματα σχετικά με το κανόνες και παραμέτρους που βοηθούν στη ρύθμιση αυτού του τύπου συστήματος αλλαγής ταχυτήτων. Μια πιθανότητα καταλήγει στο ανατομία του κυκλώματος– οι συνδέσεις που σχηματίζονται μεταξύ κάθε νευρώνα και πόσες συνδέσεις αποτελούν. Μια δεύτερη πιθανότητα είναι η φυσιολογική ισχύς αυτών των συνδέσεων. Αυτή η ισχύς καθορίζεται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της ποσότητας ενός νευροδιαβιβαστή που απελευθερώνεται, του τύπου των υποδοχέων που πιάνουν τους νευροδιαβιβαστές και της συγκέντρωσης αυτών των υποδοχέων.
Κατασκευάζοντας ένα νευρωνικό κύκλωμα από την αρχή
Σε αυτό νέα μελέτηη ομάδα προσπάθησε να καταλάβει τι συνεισφορά είχε η ανατομία του κυκλώματος στο οπτικό σύστημα. Όταν είναι μόλις πέντε ημερών, οι ζέβρες «ψαροψαράδες» κολυμπούν ήδη και κυνηγούν θήραμα. Η αναζήτηση για φαγητό περιλαμβάνει συνεχή οπτική προσοχή και η περιοχή του εγκεφάλου που ελέγχει την κίνηση των ματιών είναι δομικά παρόμοια τόσο στα ψάρια όσο και στα θηλαστικά. Ωστόσο, το σύστημα zebrafish περιέχει μόνο 500 νευρώνες. Συγκριτικά, ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει περίπου 100 δισεκατομμύρια νευρώνες.
“Έτσι, μπορούμε να αναλύσουμε ολόκληρο το κύκλωμα – μικροσκοπικά και λειτουργικά”, είπε ο Aksay. «Αυτό είναι πολύ δύσκολο να γίνει σε άλλα σπονδυλωτά».
[Related: Why do we send so many fish to space?]
Ενώ χρησιμοποιεί πολλές προηγμένες τεχνικές απεικόνισης, η ομάδα αναγνώρισε τους νευρώνες που συμμετέχουν στον έλεγχο του βλέμματος του ζέβρα και πώς όλοι αυτοί οι νευρώνες συνδέονται μεταξύ τους. Βρήκαν ότι το σύστημα αποτελείται από δύο εξέχοντες βρόχους ανάδρασης. Κάθε ένας από αυτούς τους βρόχους ανάδρασης περιέχει τρεις ομάδες στενά συνδεδεμένων κελιών. Χρησιμοποιώντας αυτή τη διάταξη, δημιούργησαν ένα μοντέλο υπολογιστή για το τι συμβαίνει σε αυτό το τμήμα του εγκεφάλου του ζέβρα.
Όταν η ομάδα συνέκρινε το τεχνητό δίκτυο που κατασκεύασε με φυσιολογικά δεδομένα από μια πραγματική ζέβρα, διαπίστωσε ότι το ψεύτικο δίκτυό τους θα μπορούσε προβλέψτε με ακρίβεια τα μοτίβα δραστηριότητας.
«Θεωρώ τον εαυτό μου φυσιολόγο, πρώτα και κύρια», είπε ο Aksay. «Έτσι, εξεπλάγην πόσο από τη συμπεριφορά του κυκλώματος μπορούσαμε να προβλέψουμε μόνο από την ανατομική αρχιτεκτονική».
[Related: Scientists mapped every neuron of an adult animal’s brain for the first time.]
Μελλοντικές εφαρμογές
Σε μελλοντικές μελέτεςη ομάδα σχεδιάζει να διερευνήσει πώς τα κύτταρα σε κάθε σύμπλεγμα συμβάλλουν στη συμπεριφορά του κυκλώματος και εάν οι νευρώνες στα διαφορετικά σμήνη έχουν συγκεκριμένες γενετικές υπογραφές. Αυτό το είδος δεδομένων θα μπορούσε να βοηθήσει τους κλινικούς γιατρούς να στοχεύσουν θεραπευτικά τα κύτταρα που ενδέχεται να δυσλειτουργούν στον άνθρωπο διαταραχές της κίνησης των ματιών. Ο στραβισμός εμφανίζεται όταν και τα δύο μάτια δεν ευθυγραμμίζονται προς την ίδια κατεύθυνση και οδηγεί σε “σταυρωμένα μάτια” ή “walleye”. Η διαταραχή του νυσταγμού εμφανίζεται ως γρήγορες, ανεξέλεγκτες κινήσεις των ματιών, που μερικές φορές ονομάζονται «χορευτικά μάτια».
Τα ευρήματα παρέχουν επίσης στους επιστήμονες έναν τρόπο να ξετυλίξουν τα πιο πολύπλοκα υπολογιστικά συστήματα στον εγκέφαλο που βασίζονται σε βραχυπρόθεσμη μνήμη, όπως αυτά που κατανοούν την ομιλία ή αποκρυπτογραφούν εικόνες.
VIA: popsci.com
