Mechanistyczne spojrzenie na procesy poznawcze u ssaków Aby przetrwać i móc rozmnażać się, żywe organizmy muszą prawidłowo postrzegać dostrzegać otaczające je środowisko i właściwie reagować na bodźce. Ten proces poznawczy przebiega w zewnętrznej strukturze mózgu – korze mózgowej. Badania podstawowe © vitstudio, Shutterstock Największa i najbardziej złożona część mózgu ssaków – kora mózgowa – to silnie pofałdowana powierzchnia istoty szarej, składająca się z ciał komórek nerwowych tworzących w niezwykle złożoną sieć. Anatomiczna organizacja obszarów kory jest zależna od ich funkcji sensorycznych, motorycznych i asocjacyjnych. Wykształcone połączenia komunikacyjne z innymi częściami mózgu, takimi jak wzgórze czy zwoje podstawy, gwarantują odbiór i przekazywanie informacji. Neurony korowe nie funkcjonują jednak samodzielnie, a stanowią element kilku powiązanych ze sobą zespołów, których aktywność jest tylko częściowo kontrolowana przez bodźce zmysłowe. Rozszyfrowanie mechanizmów odpowiedzialnych za ich aktywację wymaga niestety jednoczesnego rejestrowania pracy wielu neuronów. To właśnie z tego powodu dokładne działanie wzajemnych połączeń neuronowych w korze mózgowej dalej pozostaje tajemnicą. Obecnie, chcąc lepiej poznać procesy zachodzące w korze, badacze stosują wiele nowinek technologicznych i przeprowadzają badania elektrofizjologiczne z użyciem elektrod rejestrujących pracę grup neuronów oraz badania optogenetyczne. Te ostatnie polegają na kontroli aktywności neuronów za pomocą światła, przy czym badaniu podlegają neurony genetycznie zmodyfikowane tak, aby ekspresjonować wrażliwe na światło kanały jonowe. Jednakże istniejącym narzędziom do optogenetyki brakuje wystarczającej specyficzności na poziome warstw i komórek, zaś używane techniki wykonywania zapisów elektrofizjologicznych nadal nie są na tyle wydajne, aby prawidłowo charakteryzować mikroobwody korowe. Zaawansowane narzędzia pomogą zrozumieć działanie kory mózgowej Celem uczestników finansowanego ze środków UE projektu NeuroSeeker było stworzenie bardziej funkcjonalnego obrazu obwodów korowych. Zespół zbadał strukturę i funkcje kory mózgowej, aby lepiej poznać działanie wybranych obszarów kory i podstawowe prawa rządzące wieloskalowymi interakcjami zachodzącymi pomiędzy tymi obszarami. Badacze chcieli opisać wzajemne oddziaływania mikroobwodów korowych podczas ogólnej aktywności całego mózgu, łącząc dane z zapisów aktywności mózgu z wielkoskalowymi obrazami stanu mózgu uzyskanymi podczas elektrokortykografii i elektroencefalografii (EEG). Aby to osiągnąć, opracowano specjalne, krzemowe sondy o ultra wysokiej gęstości i niespotykanej dotąd liczbie kanałów (ok. 1400), przeznaczone do wykonywania zapisów elektrofizjologicznych. Stworzono również dodatkowe sondy polimerowe do zapisów stereo-EEG, podobne do sond używanych do klinicznego diagnozowania padaczki. Sondy NeuroSeeker okazały się być niezwykle zaawansowanymi rejestratorami posiadającymi dziesięciokrotnie więcej elektrod niż obecnie używane najnowocześniejsze systemy. Sondy przetestowano na zwierzętach z rzędu naczelnych, aby dowieść, że czas rejestracji jest zbliżony do czasu wymaganego dla badań z udziałem ludzi. Dodatkowo zespół zbudował urządzenia optyczne składające się wbudowanych cienkowarstwowych diod emitujących światło (LED) oraz konwencjonalnych chipów LED. Urządzenia te generują kontrolowane bodźce optyczne wysyłane do tkanki mózgowej, co zostało wykorzystane w badaniach na szczurach. „Aby poznać mechanistyczne podstawy najważniejszych procesów odpowiadających za przetwarzanie poznawcze, skupiliśmy się na mechanizmach kandydackich odzwierciedlających ogólne procesy kognitywistyczne” – wyjaśnia dr Ruther. W skrócie, badacze przeanalizowali kombinacje wejściowych sygnałów wyprzedzających i zwrotnych przesyłanych pomiędzy poszczególnymi warstwami kory oraz sygnałów przychodzących z tej samej warstwy w innym obszarze korowym. To pozwoliło im sformułować dynamiczną teorię dotyczącą mikroobwodów i ich wzajemnych oddziaływań z pozostałymi częściami mózgu. Szczegółowy opis funkcjonowania kory mózgowej Dzięki specjalistycznym algorytmom i oprogramowaniu urządzenia NeuroSeeker są w stanie wykrywać i klasyfikować piki w przebiegu fal, tym samym zwiększając efektywność analizy pracy obwodów. W przeciwieństwie do istniejących systemów, stworzone przez konsorcjum rozwiązanie rejestruje funkcje neuronów, dostarczając niezwykle szczegółowych informacji na temat działania mózgu i wspomagając diagnostykę padaczki. Dzięki analizie przestrzenno-czasowych odcisków każdego sygnału neuronowego zespołowi udało się sklasyfikować te sygnały oraz scharakteryzować i zlokalizować komórki w warstwach korowych. W ten sposób uzyskano niezwykle cenne informacje o funkcjach kory mózgowej w różnych warunkach – od formowania się pamięci po bieżące przetwarzanie danych podczas podejmowania decyzji. W tej chwili uczestnicy projektu, przy współpracy partnera z sektora MŚP, starają się doprowadzić do komercjalizacji rozwiązań NeuroSeeker. Badacze mają nadzieję, że „narzędzia optyczne NeuroSeeker okażą się przydatne nie tylko do badań na zwierzętach, ale również znajdą zastosowania kliniczne w badaniach mięśnia sercowego czy ślimaka”. Słowa kluczowe NeuroSeeker, mózg, kora mózgowa, neuron, sonda, optogenetyka, padaczka, elektroencefalografia, elektrokortykografia, LED
