Για πρώτη φορά ερευνητές κατάφεραν να αποκαλύψουν μέσω ενός νέου συστήματος απεικόνισης τη νευρική δραστηριότητα του νηματώδους σκώληκα Caenorhabditis elegans. To επίτευγμα αυτό που παρουσιάζεται στην επιθεώρηση «Νature Methods» δείχνει πώς τα νευρικά σήματα ταξιδεύουν στο σώμα σε πραγματικό χρόνο.
Τρισδιάστατες απεικονίσεις σε χιλιοστά του δευτερολέπτου
Η τεχνική είναι η πρώτη που μπορεί να προσφέρει τρισδιάστατες απεικονίσεις ολόκληρου του εγκεφάλου μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου και αναμένεται να βοηθήσει τους επιστήμονες να ανακαλύψουν πώς τα νευρωνικά δίκτυα του εγκεφάλου επεξεργάζονται τις αισθητηριακές πληροφορίες και «γεννούν» διαφορετικές συμπεριφορές.
Η ερευνητική ομάδα από τις ΗΠΑ και την Αυστρία χρησιμοποίησε το νέο σύστημα για να απεικονίσει ταυτοχρόνως τη δραστηριότητα κάθε νευρώνα του C.elegans καθώς και ολόκληρο τον εγκέφαλο μιας λάρβας (πολύ μικρό ψάρι) ψαριού-ζέβρα. Η απεικόνιση αυτή προσφέρει την πιο ολοκληρωμένη εικόνα της νευρικής δραστηριότητας οργανισμών που έχουν καταφέρει να «συλλάβουν» ως σήμερα οι επιστήμονες.
«Κοιτάζοντας τη δραστηριότητα ενός μόνο νευρώνα στον εγκέφαλο δεν μπορούμε να έχουμε εικόνα σχετικά με την επεξεργασία μιας πληροφορίας. Αν θέλουμε να κατανοήσουμε πώς οι πληροφορίες μετατρέπονται σε πράξη, πρέπει να δούμε ολόκληρο τον εγκέφαλο» ανέφερε ο Εντ Μπόιντεν, αναπληρωτής καθηγητής Εμβιομηχανικής και Γνωσιακών Επιστημών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, το γνωστό ΜΙΤ, εκ των επικεφαλής της μελέτης και προσέθεσε ότι η καινούργια γνώση μπορεί να βοηθήσει τους νευροεπιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη βιολογική βάση των εγκεφαλικών διαταραχών. «Δεν γνωρίζουμε την ακριβή ομάδα κυττάρων που συμμετέχουν σε κάθε διαταραχή του εγκεφάλου. Η ικανότητά μας να βλέπουμε τη δραστηριότητα ολόκληρου του νευρικού συστήματος αναμένεται να μας επιτρέψει να εντοπίζουμε τα κύτταρα ή τα δίκτυα κυττάρων που εμπλέκονται σε μια διαταραχή, γεγονός που θα χαρίσει ιδέες για νέες θεραπείες».
Οι συνάψεις και των 302 νευρώνων του νηματώδους σκώληκα έχουν χαρτογραφηθεί ήδη από το 1986 – επρόκειτο για μια πρωτιά που δεν επαναλήφθηκε με κανέναν άλλον οργανισμό. Ωστόσο αυτό το διάγραμμα της «δικτύωσης» (το connectome όπως το αποκαλούν οι επιστήμονες) δεν επιτρέπει στους ερευνητές να προσδιορίσουν τα νευρικά μονοπάτια που οδηγούν σε μια συγκεκριμένη πράξη. Δεν τους επιτρέπει επίσης να προβλέψουν τι ακριβώς θα κάνει το σκουλήκι σε μια συγκεκριμένη στιγμή, εξηγεί ο νευροεπιστήμονας Αλιπάσα Βαζίρι του Πανεπιστημίου της Βιέννης που συμμετείχε στη μελέτη. Τώρα, η νέα τεχνική που αποκαλύπτει το πώς ακριβώς τα ηλεκτρικά σήματα μεταδίδονται μεταξύ των νευρώνων σε τρεις διαστάσεις και σε πραγματικό χρόνο, δίνει πλέον τη δυνατότητα στους επιστήμονες να κατανοήσουν τα μέχρι πρότινος… ανεπίτρεπτα.
Στον σκώληκα και στο ψάρι-ζέβρα
Οι ερευνητές τροποποίησαν τον C.elegans έτσι ώστε όταν ένας νευρώνας έστελνε ηλεκτρικό σήμα και ιόντα ασβεστίου διαπερνούσαν τις κυτταρικές μεμβράνες του, εκείνος… άναβε. Προκειμένου να συλλάβουν αυτά τα σήματα χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται μικροσκοπία φωτεινού πεδίου αποσυνέλιξης (light-field deconvolution microscopy) – η τεχνική αυτή συνδυάζει εικόνες από μια ομάδα μικροσκοπικών φακών και τις αναλύει με βάση έναν αλγόριθμο ώστε να παραχθεί μια τρισδιάστατη εικόνα υψηλής ανάλυσης. Οι ερευνητές έλαβαν ως και 50 εικόνες ανά δευτερόλεπτο ολόκληρου του σκώληκα, γεγονός που τους επέτρεψε να βλέπουν τους νευρώνες να στέλνουν σήματα στον εγκέφαλο, στην ουρά και στην κοιλιακή νευρική χορδή του.
Στη συνέχεια η ερευνητική ομάδα εφήρμοσε την τεχνική στις λάρβες του ψαριού-ζέβρα (Danio rerio), γεγονός που της επέτρεψε να απεικονίσει ολόκληρο τον εγκέφαλο τους καθώς τα ψάρια αποκρίνονταν στις οσμές χημικών τα οποία έπεφταν στο νερό όπου κολυμπούσαν. Οι επιστήμονες κατάφεραν να αποτυπώσουν τη δραστηριότητα περίπου 5.000 νευρώνων ταυτοχρόνως (το ψάρι-ζέβρα έχει περί τους 100.000 νευρώνες συνολικά).
Πέρυσι ερευνητική ομάδα από το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes στις ΗΠΑ είχε καταφέρει να απεικονίσει τη δραστηριότητα ολόκληρου του εγκεφάλου του ψαριού-ζέβρα μέσω μιας τεχνικής μικροσκοπίας η οποία στέλνει δέσμες φωτός μέσα στους ιστούς του ζώου. Η καινούργια τεχνική είναι πολύ ταχύτερη και επιτρέπει στους επιστήμονες να λαμβάνουν 100 φορές περισσότερες εικόνες ανά δευτερόλεπτο – δεν μπορεί όμως να δείξει ταυτοχρόνως τη δραστηριότητα τόσο πολλών νευρώνων.
Σύμφωνα με τον καθηγητή Μπόιντεν, το επόμενο βήμα για την ερευνητική ομάδα είναι να χρησιμοποιηθεί η τεχνική προκειμένου να προσδιοριστεί το πώς ακριβώς οι νευρώνες αποκρίνονται σε διαφορετικά ερεθίσματα. Οι επιστήμονες πίσω από το νέο επίτευγμα επιθυμούν επίσης να βελτιώσουν την ταχύτητα και την ανάλυση της μεθόδου ώστε να μπορούν να απεικονίζουν μεγαλύτερους ιστούς όπως τον εγκέφαλο θηλαστικών.
