Áttörést hoz az új agymodell

Az idegtudomány egyik legnagyobb kihívása, hogy feltérképezze az idegsejtek között létrejövő szinaptikus kapcsolatokat. Egy új kutatási program résztvevői meghatározták az idegi kapcsolódásokat megszabó alapelveket.

A "konnektom", azaz a neuronok (idegsejtek) között létrejövő kapcsolatok (szinaptikus kapcsolódások) térképe az idegtudomány Szent Grálja, amely megvilágítaná az agyban zajló információáramlást. Jelenleg még nagyon messze vagyunk egy ilyen térképtől, de az Amerikai Tudományos Akadémia folyóiratában (PNAS) megjelent nagy jelentőségű cikk közelebb visz a megvalósításához.

A svájci Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) intézetben folyó Blue Brain Project (BBP) keretében sikerült meghatározni azokat az alapelveket, amelyek meghatározzák az idegi összeköttetések (szinapszisok) kialakulását. Ehhez virtuálisan rekonstruáltak egy kéregbeli mikroáramkört, és összehasonlították egy emlősből származó mintával. Az alapelvek ismerete most már lehetővé teszi, hogy megjósolják a szinapszisok helyét az agykéreg magasabb rendű idegfunkcióiért felelős részében, a neokortexben.

"Ez igen nagy áttörés, mivel egyébként évtizedekig, ha nem évszázadokig tartana feltérképezni minden egyes szinapszis helyét az agyban, és mostantól jelentősen megkönnyíti a pontos modellek készítését is" - mondta Henry Markram, a BBP vezetője.

A neuronok (szürke "gömbök") és a szinapszisok (sárga pontok) számítógépes modellje

Megoldódik egy régi rejtély

Az idegtudomány egyik régóta kutatott rejtélye, hogy vajon valamennyi neuron egymástól függetlenül növekszik-e, és a sejtek csak megragadják azt, amit elérnek (amikor nyúlványaik egymásba ütköznek), vagy pedig minden egyes neuron nyúlványait specifikus kémiai jelek vezetik, hogy megtalálják a célpontjaikat. A rejtély megoldásához a kutatók megvizsgálták a kérgi mikroáramkör virtuális rekonstrukcióját, hogy lássák, hol ütköznek egymásba a nyúlványok. Nagy meglepetésükre azt tapasztalták, hogy a modellben található helyek 75-95 százalékos pontossággal megegyeztek a megfelelő valódi agyi áramkörben található szinapszisokéival.

Ez azt jelenti, hogy a neuronok annyira függetlenül növekszenek egymástól, amennyire fizikailag ez lehetséges, és az esetek zömében ott hoznak létre szinapszisokat, ahol véletlenszerűen egymásba ütköznek. Felfedeztek azonban néhány kivételt is. Egyes különleges esetekben a neuronok által használt jelzések megváltoztatják a statisztikailag valószínűsített összekapcsolhatóságot. Ezeket a kivételeket is számításba véve a Blue Brain csoport most már szinte tökéletesen képes előrejelezni az áramkörön belül kialakuló valamennyi szinapszis helyzetét.

Virtuális rekonstrukció

A virtuális agykérgi mikroáramkör rekonstrukciójához élő agyszövetből készült metszeteken végzett, részletekbe menő kísérletekből 20 év alatt felgyülemlett adatokat használtak fel. Ez a páratlan adatbázis tartalmazza a neuronok geometriai és elektromos sajátosságait. Az áramkörben lévő minden egyes neuronnak elkészítették a háromdimenziós modelljét egy Blue Gene szuperkomputerrel. Mintegy 10 000 virtuális neuront helyeztek el random pozícióba a háromdimenziós térben a megfelelő élő szövetben található sűrűségben és morfológiai arányban. A kutatók ezután ellenpróbaként összehasonlították a modellt egy valódi emlős agyból származó agyi kapcsolódás-rendszerrel.

Különféle neurontípusok (eltérő színnel jelezve) kapcsolódásai az agykéregben

Nagy lépés a pontos agymodellek felé

A felfedezés azt is megmagyarázza, hogy miért képes az agy elviselni a károsodást, és azt is megmutatja, hogy az ugyanabba a fajba tartozó élőlény valamennyi egyedének agyában a szinapszisok pozíciója inkább azonos, mint eltérő. "A szinapszisok ily módon való elhelyezkedése nagyon erős" - mondta Sean Hill, komputeres idegkutató, a cikk vezető szerzője. "Megváltoztattuk a neuronok sűrűségét, elhelyezkedését, irányát, de egyik sem változtatta meg a szinapszisok helyének eloszlását."

A munka összességében jelentősen meggyorsíthatja az idegrendszerről alkotott részletes modellek készítését. Az eredmények jelentős bepillantást nyújtanak azokba az alapelvekbe, amelyek az idegrendszer "huzalozását" irányítják. Megmutatják, milyen robosztus agykérgi kapcsolódások alakulnak ki a neuronok rendkívül eltérő populációiból - ez létfontosságú az agyműködés megértéséhez.