Nowatorskie matematyczne podejście na potrzeby analizy zmultipleksowanych kodów neuronowych
Kod neuronowy opisuje, w jaki sposób mózg przekształca bodźce zewnętrzne we wzorce aktywności populacji neuronów. Jest to wspólny wzorzec sygnałów, który decyduje o relacjach pomiędzy reakcją neuronową a bodźcem. W szczególności kodowanie neuronowe bada połączenie pomiędzy bodźcem a określoną reakcją neuronową, zaś dekodowanie neuronowe zajmuje się działaniem przeciwnym. Informacje w mózgu są reprezentowane i przesyłane dzięki mechanizmowi przewodzenia potencjałów czynnościowych między neuronami, zwanych impulsami lub „iglicami”. Kod czasowy to identyfikacja precyzyjnie określonych w czasie wzorców czasowych aktywności neuronowej, które zawierają najwięcej informacji na temat bodźców zewnętrznych. Badacze z projektu ETIC opracowali nowatorskie techniki obliczeniowe i optyczne, by znacznie dokładniej zmierzyć i precyzyjnie umiejscowić w czasie wzorce aktywności emitowanej przez neurony, łącząc wyszukane algorytmy skanowania i zaawansowane badania mikroskopowe. Złamanie kodu neuronowego z wykorzystaniem nowatorskich podejść obliczeniowych „Naszym celem długoterminowym jest odkrycie, w jaki sposób obwody w mózgu kodują informacje na temat świata zewnętrznego i wykorzystują je, by tworzyć odpowiednie zachowania”, mówi dr Stefano Panzeri, koordynator projektu ETIC i stypendysta programu Marii Skłodowskiej-Curie, oraz dr Fellin, drugi główny badacz projektu. Projekt przyczynił się do rozwoju technologii optycznej służącej do monitorowania aktywności wielu neuronów. W przeciwieństwie do wcześniejszych technologii, technologia ETIC cechuje się większą precyzją temporalną i lepszym stosunkiem sygnału do zakłóceń (SNR). Opracowanie nowego algorytmu umożliwiło badaczom skuteczniejsze skanowanie neuronów, co poskutkowało bardziej precyzyjnym monitorowaniem ich aktywności pod względem SNR. „Wykazaliśmy też w prawdziwych eksperymentach z wykorzystaniem dwufotonowego badania mikroskopowego żywego, funkcjonującego mózgu, że praktyczne zastosowanie naszego algorytmu w dużym stopniu poprawia SNR w obrazowaniu populacji w porównaniu ze standardowymi, dostępnymi na rynku metodami skanowania”, dodaje dr Panzeri. Przyszłe zastosowania terapeutyczne w przypadku chorób neuronowych Kolejnym etapem projektu będzie systematyczne stosowanie nowego narzędzia w celu obserwowania, w jaki sposób żywy mózg wykonuje zadania kognitywne, a także wykorzystanie nowych danych z większą rozdzielczością temporalną i wyższym SNR w odniesieniu do kilku populacji komórek. „Po odkryciu kodu, który neurony wykorzystują do kodowania informacji ze zmysłów chcielibyśmy zrozumieć, jak manipulować aktywnością neuronów z wykorzystaniem optogenetyki, by wywoływać wzorce neuronowe odpowiadające różnym wrażeniom, takim jak różne dźwięki, zapachy czy wrażenia dotykowe”, opowiada dr Panzeri. Optogenetyka to specjalistyczna technika wykorzystująca światło do kontrolowania aktywności elektrycznej komórek w żywych tkankach i umożliwiająca kontrolę aktywności poszczególnych neuronów. Mówiąc szczegółowo, optogenetyka obejmuje bardzo precyzyjne wzorce aktywności w mózgu. Przyszłe prognozy dla tej technologii obejmują manipulowanie kodem neuronowym w celu tworzenia sztucznych wrażeń w zastosowaniach terapeutycznych u pacjentów, którzy utracili zdolność posługiwania się peryferyjnymi narządami zmysłu, jednak nadal mają korę mózgową, którą mogą wykorzystać do przetwarzania danych z tych zmysłów. Skuteczne zastosowanie optogenetyki do wywoływania wrażeń wymaga rozpoznania nowatorskiego systemu teoretycznego, który charakteryzuje zarówno sposób kodowania informacji we wzorcach aktywności neuronowej, jak i sposób interpretowania ich przez mózg w celu wywołania wrażenia. „Obecnie pracujemy nad opracowaniem takiej technologii matematycznej i badamy potencjał naszej technologii na potrzeby rozwijania produktów w otoczeniu komercyjnym”, podsumowuje dr Panzeri.
Słowa kluczowe
ETIC, kod neuronowy, SNR, optogenetyka, aktywność neuronowa
