Sieć internetowa w naszym mózgu

Całkowity system naszego mózgu nie jest prawdopodobnie zorganizowany w sposób shierarchizowany, ale może przypominać on bardziej sieć podobną do internetu, gdzie wszystko komunikuje się ze wszystkim. Jest to sposób, który najprawdopodobniej pozwala mózgowi na używanie dróg neuronowych alternatywnych w przypadku uszkodzenia.

Nasz mózg przypomina raczej mapę: półkula prawa i lewa oraz ich różne płaty, móżdżek, ciało modzelowate... Funkcje różnych stref mózgu także zostały już dobrze określone: strefy mowy, ruchu, wzroku... Także to nie jest już dłużej tajemnicą, że neurony stanowią bazową cegłę budowy mózgu. Te komórki o długich przedłużeniach aksonowych są niezbędne do komunikacji zachodzącej na łonie mózgu: na poziomie synapsy, czyli w regonie między dwoma neuronami, substancje są uwalniane przez aksony i następnie przechwytywane przez kolejny neuron, który został w ten sposób aktywowany.

Ale w jaki sposób jest zorganizowana sieć neuronowa i w jaki sposób jest zarządzany stały przecież strumień informacji? Początkowo, naukowcy optowali bardziej za istnieniem sieci shierarchizowanej, gdzie jeden lub kilka neuronów miał przekazywać informację następnym neuronom, według ściśle określonego łańcucha. A z tymi setkami miliardów neuronów w ludzkim mózgu, taka organizacja musi być rzeczywiście perfekcyjna. Jednakże, trybiki sieci neuronowych pozostają w dalszym ciągu tajemnicą.

Fenomenalna ilość pracy, a przede wszystkim brak odpowiednich narzędzi, stanowią hamulec do przeprowadzenia badań na temat relacji międzyneuronalnych. Aczkolwiek, National Institute of Health oznajmił swoją chęć stworzenia mapy całości sieci neuronowych ludzkiego mózgu, nazwanej connectome, dzięki finansowaniu pochodzącemu od Human Connectome Project. Narzędzia, którymi posługują się teraz neuronauki w rzeczywostości już ewoluowały i wydają się dziś dość skuteczne, aby mogły podołać temu zadaniu.

Naukowcy z Uniwersytetu w Kalifornii Południowej (USC) wymyślili technikę, która jest pochodną technik neurobrazowania mózgowego już istniejących, ale o wiele bardziej zaawansowaną i o większych możliwościach, ponieważ jest już możliwa dzięki niej wizualizacja symultaniczna czterech markerów neuronowych. Metoda polega na wstrzyknięciu dwóch par markerów w dwie strefy mózgu szczura: każda para markerów zawiera substancję anterogradacyjną, która podróżuje poprzez synapsę w kierunku następnego neuronu, oraz substancję retrogradacyjną, które postępuje wzdłuż aksonu.

Pobranie z mózgów szczurów, realizacja zamierzonych zadań oraz ich obserwacja pod mikroskopem konfokalnym, pozwala zwizualizować markery po dorzuceniu do nich przeciwciał fluoroscencyjnych, specyficznych dla każdego z nich, to znaczy, każdy marker ma ściśle określony kolor. Pozwala to więc dokładnie oznaczyć neurony biorące udział w obiegu. Ta technika pozwala więc w ten sposób zwizualizować dokładnie dwa obiegi bądź dwie zony tego samego obiegu, symultanicznie i w dwa kierunki.

Naukowcy zastosowali tę metodę na określonym regionie mózgu szczura, który bierze udział w odczuwaniu satysfakcji związanej z jedzeniem, a następnie opublikowali swoje obserwacje w dzienniku PNAS. Rezultaty pokazują kompleksowy obieg pod postacią pętli oraz mniejszych obiegów, które nie wydają się shierarchizowane: nie ma ani góry, ani dołu, na obraz sieci internetowej.

Mimo, że model hipotetyczny połączeń neuronalnych został dzięki tym pracom solidnie podparty, to nie jest on jednak na razie udowodniony. Zaobserwowane obiegi neuronowe muszą być zatwierdzone i poparte na poziomie fizjologicznym, aby upewnić się co do ich realności biologicznej i funkcjonalnej. Jednakże, takie rozdzielenie zadań neuronów może stanowić korzyść: luka między dwoma neuronami może pozwolić na to, żeby obieg w dalszym ciągu funkcjonował, a to dzięki istnieniu alternatywnych połączeń. Ta strategia może chronić więc mózg przeciwko uszkodzeniom, na co hipoteza o shierarchizowanych połączeniach mózgowych nie pozwalała.