Naukowcy teraz mogą „zobaczyć”, jak mózg odczytuje sygnały elektryczne
Sieci neuronowe to grupy neuronów, które są ze sobą połączone funkcjonalnie za pomocą wyspecjalizowanych struktur zwanych synapsami i odgrywają kluczową rolę w percepcji zmysłowej. „Percepcja zmysłowa opiera się na przynajmniej dwóch procesach”, wyjaśnia koordynator projektu NEURO-PATTERNS, Tommaso Fellin, starszy badacz z Włoskiego Instytutu Technologii. Projekt wsparła Europejska Rada ds. Badań Naukowych. „Najpierw mózg musi »zapisać« informacje o fizycznych bodźcach w świecie zewnętrznym, takich jak obraz zbliżającego się samochodu. Informacja ta jest zapisywana w postaci aktywności elektrycznej w określonych sieciach neuronalnych w mózgu”. Sygnały te są następnie odczytywane i na ich podstawie wywoływane jest odpowiednie zachowanie, na przykład zwalnianie. „Bardzo niewiele wiemy na temat tego drugiego procesu”, zauważa Fellin. „Nie do końca rozumiemy, w jaki sposób aktywność elektryczna zapisana w obwodach neuronalnych jest odczytywana w celu wywoływania określonych zachowań w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne. Innymi słowy, nie znamy kodu, którego mózg używa do interpretacji sygnałów elektrycznych zapisanych w sieciach neuronowych”.
Złamać kod
Celem zespołu finansowanego przez UE projektu NEURO-PATTERNS było złamanie tego kodu z wykorzystaniem nowo opracowanej technologii. Pozwoliłoby to naukowcom po raz pierwszy zbadać wpływ określonych wzorców aktywności elektrycznej w obrębie sieci neuronowych na zachowanie. „W tym celu połączyliśmy wiedzę z dziedziny optyki, inżynierii, neuronauki komórkowej i obwodowej oraz matematyki”, dodaje Fellin. „Pozwoliło nam to opracować nowe podejście optyczne umożliwiające odczytywanie i zapisywanie wzorców aktywności w sieciach neuronowych w niespotykanej dotąd rozdzielczości przestrzenno-czasowej”. Zespół opracował najpierw oprogramowanie i elementy nowego mikroskopu optycznego. Następnie wykorzystano go w połączeniu ze światłoczułymi cząsteczkami, które mogą informować o aktywności elektrycznej neuronów lub ją generować. Na koniec zbadano skuteczność tej metody w sieciach neuronowych w tkance mózgowej. Dzięki temu podejściu naukowcy po raz pierwszy byli w stanie zdefiniować przestrzenne i czasowe wzorce aktywności elektrycznej w nienaruszonych sieciach mózgowych i zbadać kod, za pomocą którego mózg moduluje percepcję sensoryczną.
Neuronauka wkracza w nową erę
Metoda ta może mieć wiele praktycznych zastosowań, m.in. przywracanie lub korygowanie nieprawidłowej aktywności elektrycznej w sieciach neuronów, która może być efektem patologii mózgu. Ustalenia te mogą również przyczynić się do powstania bardziej wydajnych algorytmów sztucznej inteligencji oraz stanowić podstawę teoretyczną dla efektywniejszych interfejsów mózg–maszyna. Wyniki projektu zostały opisane w wielu pracach naukowych, a także uzyskały kilka patentów. „Technologia ta może znaleźć zastosowanie także w innych dziedzinach”, mówi Fellin. „Dobrym przykładem jest SmartMicroOptics, spółka spin-off stworzona przez nas podczas realizacji projektu NEURO-PATTERNS”. Firma ta produkuje ultracienkie elementy optyczne, które znajdują zastosowanie w urządzeniach elektronicznych wyposażonych w aparat, takich jak telefony komórkowe i tablety, zmieniając je w przenośne i niedrogie mikroskopy o wysokiej wydajności optycznej. „Opracowana przez nas technologia przyniosła nowe możliwości w zakresie neuronauki eksperymentalnej”, mówi Fellin. „Wywołując kontrolowane zakłócenia (poprzez połączenie nowatorskiego podejścia optycznego stworzonego w ramach NEURO-PATTERNS i molekuł wrażliwych na światło) w sieciach neuronów, jesteśmy obecnie w stanie ustalić ich rolę w sterowaniu zachowaniem”. Kolejne kroki obejmują poprawę skali przestrzennej, penetracji, efektywności i elastyczności tych zakłóceń. Neuronaukowcy postarają się ustalić, czy kod jest zachowany w różnych modalnościach sensorycznych i jak te procesy zmieniają się w patologicznych stanach mózgu.
Słowa kluczowe
NEURO-PATTERNS, mózg, neuronalny, synapsy, sensoryczny, neurony, percepcja, neuronauka
