Έργο ορόσημο για τον εγκέφαλο: Ο «χάρτης Google» με τη βοήθεια της AI

Φανταστείτε ότι βρίσκεστε σε ένα πάρτι με πολύ κόσμο και καταγράφετε όλες τις συνομιλίες από τα «πηγαδάκια» γύρω σας, χωρίς να βλέπετε τα πρόσωπα των παρευρισκομένων. Ξέρετε λοιπόν τι λέει το κάθε άτομο, όμως δεν γνωρίζετε ποιος μιλά με ποιον. Φανταστείτε τώρα ότι βρίσκεστε στο ίδιο πάρτι και έχετε τη δυνατότητα να βλέπετε ποια άτομα συνομιλούν μεταξύ τους χωρίς όμως να ακούτε τι λένε.

Αν έχετε μόνο μία από τις δύο αυτές δυνατότητες, είναι επόμενο ότι δεν θα μπορέσετε ποτέ να συνθέσετε το παζλ του ποιος και τι ακριβώς συζητεί, δεν θα φθάσετε ποτέ στην πλήρη κατανόηση αυτής της επικοινωνίας. Αν όμως «παντρέψετε» τις δύο δυνατότητες, θα μπορέσετε να βρείτε την άκρη του νήματος (της επικοινωνίας).

Τώρα στη θέση των καλεσμένων του πάρτι βάλτε τους νευρώνες του εγκεφάλου οι οποίοι επίσης «συνομιλούν», για την ακρίβεια επικοινωνούν αδιάκοπα. Αν κάποιος τους αποτυπώσει μόνο χωρίς να ξέρει πώς επικοινωνούν μεταξύ τους, δεν θα μπορέσει ποτέ να ξεκλειδώσει τα μυστικά της επικοινωνίας τους. Το ίδιο ακριβώς θα συμβεί αν γνωρίζει μόνο ποιος νευρώνας επικοινωνεί με ποιον, χωρίς να ξέρει το περιεχόμενο της «συζήτησής» τους. Και εδώ, η συνδυαστική ικανότητα είναι το μοναδικό «διαβατήριο» που μπορεί να οδηγήσει στη στιγμή του «εύρηκα».

Αυτή ακριβώς τη στιγμή έζησαν πρόσφατα περισσότεροι από 150 επιστήμονες διαφορετικών ερευνητικών κέντρων με επικεφαλής ερευνητές από τρία αμερικανικά ακαδημαϊκά ιδρύματα – και συγκεκριμένα το Πανεπιστήμιο Princeton, το Κολέγιο Ιατρικής Baylor και το Ινστιτούτο Allen για την Επιστήμη του Εγκεφάλου – οι οποίοι ένωσαν τις δυνάμεις τους και δημιούργησαν τον πιο πλήρη «χάρτη Google» της δομής και της λειτουργίας του εγκεφάλου ενός θηλαστικού.

Οι ερευνητές R. Clay Reid και Leila Elabbady στο εργαστήριο του Ινστιτούτου Allen. Φωτ: REUTERS

Δυνατά και αδύνατα

Ενα έργο που χαρακτηρίστηκε «ορόσημο» καθώς αφορά τον εγκέφαλο, ένα όργανο τόσο πολύπλοκο, το οποίο έχει κάνει επί μακρόν τους επιστημονικούς εγκεφάλους να σπάνε το… κεφάλι τους προκειμένου να αποκαλύψουν τα μυστικά του. Τόσο πολύπλοκο ώστε ένα και μόνο μικροσκοπικό τμήμα του, ίσο με έναν κόκκο άμμου, να αποτελείται από εκατοντάδες χιλιάδες κύτταρα τα οποία «συνομιλούν» μεταξύ τους μέσω μιας καλωδίωσης που καλύπτει ολόκληρα χιλιόμετρα.

Είναι τέτοια η πολυπλοκότητα του εγκεφάλου ώστε το 1979 ο νομπελίστας (για την αποκρυπτογράφηση της δομής του DNA) Φράνσις Κρικ είχε γράψει στο περιοδικό «Scientific American» ότι η ανατομία και η δραστηριότητα σε ένα μόλις κυβικό χιλιοστό εγκεφαλικής ουσίας θα ξεπερνούν για πάντα το επίπεδο της γνώσης και της κατανόησης του ανθρώπου. «Δεν υπάρχει νόημα να ζητούμε το αδύνατο» είχε συμπεράνει ο Κρικ.

Και όμως, δεκαετίες αργότερα, εν έτει 2025, το αδύνατο έγινε δυνατό χάρη στην πρόοδο της επιστήμης και της τεχνολογίας, αλλά κυρίως χάρη στη δύναμη του ανθρώπινου (επιστημονικού) εγκεφάλου, με αποτέλεσμα να επιτευχθεί ακριβώς αυτό που έβρισκε, με τη γνώση και τα μέσα βέβαια του 1979, ακατόρθωτο ο Κρικ.

Η δημιουργία του πρώτου λειτουργικού διαγράμματος της καλωδίωσης ενός τόσου δα τμήματος του εγκεφάλου θηλαστικού, ίσου με έναν κόκκο άμμου, αφορούσε βέβαια έναν ποντικίσιο και όχι ανθρώπινο εγκέφαλο – αν μιλάμε για πολυπλοκότητα, μια τέτοια καταγραφή της δομής και της δραστηριότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου αποτελεί ακόμη για τους επιστήμονες αυτό το αδύνατο του Κρικ.

Ασύλληπτα δεδομένα

Σε κάθε περίπτωση, πάντως, το αποκαλούμενο Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS) Project είναι ένα μεγάλο επίτευγμα που προσφέρει την καλύτερη ως σήμερα ματιά στον εγκέφαλο των θηλαστικών και δη στην οργάνωση του οπτικού συστήματός τους – για αυτό άλλωστε και είχε την τιμητική του την προηγούμενη εβδομάδα με δέκα δημοσιεύσεις σε περιοδικά της «οικογένειας» του «Nature».

Να σημειωθεί ότι το διάγραμμα της καλωδίωσης του εγκεφάλου και όλα τα δεδομένα που το συνθέτουν είναι ελεύθερα προσβάσιμα μέσω του MICrONS Explorer. Και μιλάμε για πάρα πολλά δεδομένα – της τάξης των 1,6 petabytes (κάθε petabyte ισούται με 1.000 terabytes ή με 1.000.000.000.000.000 bytes) ή, για να το κατανοήσουμε καλύτερα εμείς οι κοινοί θνητοί, δεδομένα που αντιστοιχούν σε ένα HD βίντεο το οποίο παίζει για 22 έτη χωρίς διακοπή!

Ας δούμε όμως πώς γεννήθηκαν αυτά τα δεδομένα που αποτελούν, όπως προαναφέραμε, «τέκνο» πολλών γονέων. Αρχικώς επιστήμονες του Κολεγίου Ιατρικής Baylor (με επικεφαλής μάλιστα τον κύπριο καθηγητή Νευροεπιστήμης Ανδρέα Τόλια, με τον οποίο προσπάθησε να επικοινωνήσει το ΒΗΜΑ-Science χωρίς αποτέλεσμα) χρησιμοποίησαν ισχυρά μικροσκόπια προκειμένου να καταγράψουν την εγκεφαλική δραστηριότητα σε ένα μικροσκοπικό τμήμα (μεγέθους ενός κυβικού χιλιοστού) του οπτικού φλοιού ποντικού. Συγκεκριμένα οι ερευνητές κατέγραψαν τη δραστηριότητα περί των 80.000 νευρώνων στον εγκέφαλο ζώντος ποντικιού ενόσω εκείνο… χάζευε ταινίες και βίντεο στο YouTube, προκειμένου να δημιουργήσουν λεπτομερείς χάρτες αυτής της δραστηριότητας.

Ερευνητική σκυταλοδρομία

Στη συνέχεια πήραν τη σκυτάλη ερευνητές του Ινστιτούτου Allen, οι οποίοι επικεντρώθηκαν στο ίδιο ακριβώς τμήμα του οπτικού φλοιού του εγκεφάλου του ποντικιού και το έκοψαν σε περισσότερες από 25.000 «φέτες», καθεμία εκ των οποίων είχε πλάτος ίσο με 1/400 μιας ανθρώπινης τρίχας. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια συστοιχία ηλεκτρονικών μικροσκοπίων προκειμένου να λάβουν εικόνες υψηλής ανάλυσης της κάθε «φέτας» του εγκεφαλικού ιστού.

Οπως περιέγραψε στο ΒΗΜΑ-Science o δρ Νούνο ντα Κόστα, εκ των επικεφαλής του προγράμματος MICrONS στο Ινστιτούτο Allen, ο οποίος ηγείται της ομάδας ανατομίας, «και μόνο η δημιουργία των τομών στον εγκεφαλικό ιστό διήρκεσε 12 μερόνυχτα – εργαζόμασταν αδιάκοπα σε βάρδιες ώστε να διασφαλίσουμε ότι δεν θα γίνει κάποιο λάθος. Και αυτό διότι και το παραμικρό λάθος θα σήμαινε ότι δεν θα μπορούσαμε να ακολουθήσουμε τη διαδρομή των «καλωδίων» του εγκεφάλου, δηλαδή των αξόνων, που έχουν μήκος χιλιομέτρων ακόμη και σε αυτό το τόσο μικρό δείγμα. Μετά την κατάτμηση του ιστού χρειάστηκαν άλλοι έξι μήνες για να απεικονίσουμε τον ιστό με ηλεκτρονικά μικροσκόπια υψηλής ανάλυσης – προέκυψαν τελικά περί τις 95 εκατομμύρια εικόνες».

Η ερευνητική σκυταλοδρομία ολοκληρώθηκε από τους ερευνητές του Princeton, οι οποίοι, με τη χείρα βοηθείας της Τεχνητής Νοημοσύνης (ΑΙ) δημιούργησαν 3D μοντέλα των κυττάρων και των συνάψεών τους. Ο επικεφαλής της ομάδας του Princeton, καθηγητής Επιστήμης Υπολογιστών και Νευροεπιστήμης Σεμπάστιαν Σιουνγκ, εξήγησε στο ΒΗΜΑ-Science ότι «εκμεταλλευθήκαμε τη δύναμη της ΑΙ ώστε να εντοπίσουμε τα πολύπλοκα σχήματα και τις συνάψεις των νευρώνων μέσα από την ανάλυση των εκατομμυρίων εικόνων.

Χάρη στη μηχανική μάθηση αυτοματοποιήσαμε μεγάλο μέρος της διαδικασίας, κάτι που θα χρειαζόταν δεκαετίες για να ολοκληρωθεί από τον άνθρωπο. Είναι χαρακτηριστικό ότι ένα κυβικό χιλιοστό εγκεφαλικού ιστού, όπως αποτυπώνεται από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, «παράγει» πάνω από 1 petabyte δεδομένων. Κανένας ειδικός δεν θα μπορούσε ποτέ να κοιτάξει τόσο αναλυτικά σπιθαμή προς σπιθαμή – για την ακρίβεια pixel προς pixel – τις εικόνες».

Παραγωγικό «πάντρεμα»

Το «πάντρεμα» αυτών των απεικονίσεων με τις καταγραφές της εγκεφαλικής δραστηριότητας πρόσφερε και το μεγαλύτερο μέχρι σήμερα διάγραμμα της καλωδίωσης του εγκεφάλου αλλά και τον αναλυτικότερο λειτουργικό χάρτη του. Οι αριθμοί μιλούν από μόνοι τους: αποτύπωση της δομής και της λειτουργίας περισσότερων από 200.000 κυττάρων, τεσσάρων χιλιομέτρων αξόνων (πρόκειται για τα «κλαδιά» του κάθε νευρικού κυττάρου τα οποία απλώνει προκειμένου να επικοινωνήσει με τα άλλα κύτταρα) καθώς και 523 εκατομμυρίων συνάψεων (τα σημεία επικοινωνίας μεταξύ των κυττάρων).

Ποια ήταν όμως τα κύρια ευρήματα αυτής της μεγάλης προσπάθειας; Ο δρ Ντα Κόστα εξήγησε ότι αποκαλύφθηκαν νέοι κυτταρικοί τύποι, νέα χαρακτηριστικά των κυττάρων, νέες αρχές που διέπουν την οργάνωση και τη λειτουργία τους.

«Ενα από τα πιο αναπάντεχα ευρήματά μας αφορούσε τα ανασταλτικά κύτταρα – κύτταρα που καταστέλλουν τη νευρική δραστηριότητα. Παραδοσιακά θεωρούσαμε, μέσω προηγούμενων πειραμάτων, ότι τα ανασταλτικά κύτταρα καταστέλλουν αδιακρίτως τη δραστηριότητα των γειτονικών τους διεγερτικών νευρώνων. Ωστόσο τα νέα λεπτομερή δεδομένα μάς αποκάλυψαν ότι αυτό που πιστεύαμε αποτελεί την εξαίρεση και όχι τον κανόνα.

Ο κανόνας είναι ότι τα περισσότερα ανασταλτικά κύτταρα είναι άκρως επιλεκτικά – στοχεύουν υπο-πληθυσμούς νευρώνων, ανάλογα με τις συνθήκες. Αυτό το καινούργιο επίπεδο δομημένης αναστολής της λειτουργίας των νευρώνων μάς δείχνει ότι ο εγκέφαλος έχει δικές του, άγνωστες μέχρι σήμερα, «αρχές» τις οποίες ακολουθεί για να ισορροπεί τη δραστηριότητά του, ανοίγοντας διάπλατα νέους δρόμους σκέψης και έρευνας σχετικά με το πώς οργανώνονται και ελέγχονται τα νευρικά κυκλώματα».

Επόμενοι στόχοι

Το επόμενο βήμα για την ερευνητική ομάδα, διά στόματος του επιστήμονα του Allen, ουσιαστικώς έχει ήδη γίνει. «Σε ό,τι αφορά τον εγκέφαλο ποντικού, έχουμε ήδη επιτύχει, στο πλαίσιο του προγράμματος NIH BRAIN CONNECTS, να αποτυπώσουμε απεικονιστικά ένα τμήμα του ενός ημισφαιρίου (μεγέθους εκατοστού) με την ίδια ανάλυση που επιτύχαμε στο πλαίσιο του MICrONS. Επόμενος στόχος μας για τα επόμενα τέσσερα χρόνια είναι να αποδείξουμε ότι η διαδικασία προς τη χαρτογράφηση ολόκληρου του εγκεφάλου ποντικού είναι εφικτή ώστε να περάσουμε μετά σε μια δεύτερη ευρύτερη φάση πραγματοποίησης αυτής της έρευνας».

Ισως, αν όλες αυτές οι προσπάθειες ευοδωθούν, το μεθεπόμενο βήμα να είναι η πλήρης χαρτογράφηση της δομής και της λειτουργίας των νευρώνων του ανθρώπινου εγκεφάλου; «Ενα σχετικό πρόγραμμα για τον ανθρώπινο εγκέφαλο υποστηρίζεται επίσης από το NIH BRAIN CONNECTS. Ωστόσο, καθώς το μέγεθος του ανθρώπινου εγκεφάλου δεν έχει καμία σχέση με εκείνο του ποντικού, ο πιο άμεσος στόχος είναι η χαρτογράφηση της μορφολογίας μεμονωμένων κυττάρων και όχι όλης της δομής και της λειτουργίας της καλωδίωσής του» απάντησε ο ερευνητής.

Επιστημονικοί στόχοι ατέρμονοι – όπως ατέρμονες είναι και οι δυνατότητες της έρευνας. Μήπως όμως η νέα τάξη πραγμάτων στις ΗΠΑ «κόψει τα φτερά» του προγράμματος, καθώς η επιστήμη δεν φαίνεται σίγουρα να αποτελεί προτεραιότητα της κυβέρνησης Τραμπ; Ο δρ Ντα Κόστα θεώρησε σημαντικό να υπογραμμίσει ότι «η δημόσια χρηματοδοτούμενη έρευνα αποτελεί μία από τις καλύτερες επενδύσεις της κοινωνίας για την κοινωνία. Οδηγεί στην καινοτομία, σε νέες τεχνολογίες και θεραπείες και δημιουργεί μακροπρόθεσμη οικονομική ανάπτυξη. Πολλές ιατρικές ανακαλύψεις έχουν τη ρίζα τους σε έρευνα που χρηματοδοτήθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ (ΝΙΗ).

Οι οικονομολόγοι έχουν μάλιστα υπολογίσει ότι κάθε δολάριο που επενδύεται από τα ΝΙΗ στην έρευνα αποδίδει 2,4 δολάρια. Σε ό,τι αφορά συγκεκριμένα τις πρωτοβουλίες μεγάλης κλίμακας για τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου, αυτές είναι πολύτιμες καθώς ενώνουν ερευνητές από πολλά πεδία προκειμένου να λύσουν προβλήματα που κανένα εργαστήριο δεν θα μπορούσε να το επιτύχει μεμονωμένα. Είναι νωρίς ακόμη για να πούμε πώς θα επηρεαστεί η χρηματοδότησή μας, αλλά είναι σαφές πως η συνεχιζόμενη επένδυση στην επιστήμη αποτελεί επένδυση για την υγεία και την ευημερία ολόκληρης της κοινωνίας».

Στην περίπτωσή μας, η επένδυση σε ένα MICrO(N)Sκοπικό τμήμα του εγκεφάλου ενός ποντικιού μπορεί να κάνει τη μεγάλη διαφορά μια μέρα για εκατομμύρια ανθρώπους. Και αυτή είναι η τεράστια μαγεία της επιστήμης…

Καλύτερη κατανόηση και αντιμετώπιση των νόσων

Η πολύ καλύτερη κατανόηση της δομής και της λειτουργίας του εγκεφάλου όπως αυτή αποτυπώνεται μέσα από τη λεπτομερή ανάλυση της επικοινωνίας μεταξύ των νευρώνων του ανοίγει νέους δρόμους σε ό,τι αφορά τη μελέτη της συμπεριφοράς, της μνήμης, της ευφυΐας. Αναμένεται όμως να ρίξει και πολύ περισσότερο φως σε διαταραχές όπως η νόσος Αλτσχάιμερ, η νόσος του Πάρκινσον, ο αυτισμός και η σχιζοφρένεια, στις οποίες παρατηρούνται διαταραχές στην επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων.

«Αν έχουμε ένα χαλασμένο ραδιόφωνο αλλά διαθέτουμε το διάγραμμα που αποτυπώνει τα κυκλώματά του, τότε έχουμε πολύ περισσότερες πιθανότητες να το επιδιορθώσουμε» είπε γλαφυρά ο δρ Ντα Κόστα και προσέθεσε: «Οι παθήσεις του εγκεφάλου είναι το αποτέλεσμα αλλαγών στη δομή του. Ετσι η κατανόηση αυτής της δομής θα προσφέρει πολλά μακροπρόθεσμα. Η νέα γνώση μπορεί για παράδειγμα να συμβάλει στην ανάπτυξη φαρμάκων που θα στοχεύουν συγκεκριμένες υπο-ομάδες κυττάρων του νευρικού δικτύου ή να βοηθήσει στο να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν υπάρχοντα φάρμακα εντοπίζοντας σε ποιους ακριβώς κυτταρικούς τύπους δρουν».

Σύμφωνα με τον ερευνητή, «αυτός ο… χάρτης Google που δημιουργήθηκε τώρα και αφορά έναν “κόκκο” του εγκεφάλου μπορεί να αποδειχθεί ανεκτίμητος για τη σύγκριση της “καλωδίωσης” του υγιούς εγκεφάλου με εκείνη σε ένα ζωικό μοντέλο κάποιας νόσου».