Odkrywanie tajemnic mózgu za pomocą światła i sztucznej inteligencji
Odkrycie tajników współpracy pojedynczych neuronów w celu generowania myśli, emocji i działań pozostaje wyzwaniem dla naukowców. W celu zbadania aktywności mózgu neuronaukowcy badają komórki neuronalne, zarówno indywidualnie, jak i zbiorowo, za pomocą różnorodnych metod, w tym pomiaru aktywności elektrycznej, badania reakcji chemicznych i kontrolowania komórek za pomocą światła.
Innowacyjna platforma eksperymentalna wspiera badania zachowania neuronów
Projekt ISLAND został podjęty przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” (MSCA) i miał na celu stworzenie konfiguracji eksperymentalnej, która wykorzystywałaby moc kontroli światła wraz z manipulacją genetyczną lub optogenetyką do badania komórek mózgowych w środowisku laboratoryjnym. „Chcieliśmy przeanalizować sieci neuronalne w dwóch oraz trzech wymiarach, co mogłoby przyczynić się do rozwoju wiedzy na temat funkcjonowanie mózgu”, stwierdza główny badacz Lorenzo Pavesi. Wraz ze stypendystą działania MSCA Ilyą Auslenderem, naukowcy opracowali system eksperymentalny, który składał się z trzech odrębnych jednostek. Jednostka „zapisująca” obejmowała system optyczny, który emitował światło o precyzyjnych wzorach służących jako wyzwalacze do stymulacji genetycznie zmodyfikowanych neuronów. Jednostka „odczytująca” była w stanie przechwytywać sygnały elektryczne pochodzące z hodowanych neuronów i przekładać je na dane dzięki matrycy mikroelektrod. Dane rejestrowane przez matrycę były interpretowane przez jednostkę „przetwarzania i sterowania”.
Mapowanie sieci neuronalnych
Naukowcom udało się wyhodować komórki kory mózgowej na szklanych układach matrycy mikroelektrod i zmodyfikować je tak, aby eksprymowały białko wrażliwe na światło. Pozwoliło to badaczom na położenie podwalin pod kontrolowane eksperymenty optogenetyczne. Stymulacja świetlna została osiągnięta dzięki cyfrowemu procesorowi światła, który oświetlał genetycznie zmodyfikowane neurony światłem o dostosowanych wzorach. Kluczem do zrozumienia tych reakcji było opracowanie zaawansowanych narzędzi analitycznych. Korzystając z możliwości sztucznej inteligencji, naukowcy zbudowali system zdolny do odczytywania sygnałów elektrycznych z komórek neuronalnych i generowania makroskopowej mapy przedstawiającej, jak te komórki komunikują się i łączą w sieć. Uzyskany model obejmował makroskopowy graf reprezentujący strukturę badanej kultury. Każdy węzeł na grafie symbolizował obwód neuronalny lub grupę neuronów, a połączenia między węzłami reprezentowały ważone interakcje między tymi populacjami. Ogólnie rzecz biorąc, model SI okazał się niezwykle dokładny w odkrywaniu funkcjonalnych połączeń sieci neuronalnej.
Przyszłe możliwości i zastosowania
Projekt ISLAND otworzył liczne możliwości rozszerzenia rozwiązań in vitro i inicjatyw badawczych. Starannie zaprojektowana konfiguracja optogenetyczna, płynnie łącząca metody optyczne i genetyczne, została już wykorzystana do przyspieszenia trwających badań skupiających się na wykorzystaniu innowacyjnych interwencji wykorzystujących światło w celu tłumienia napadów padaczkowych. Model sztucznej inteligencji może być stosowany w szerokim zakresie badań, które obejmują szczegółową analizę wielomiejscowych sygnałów elektrofizjologicznych. Mogłoby to na przykład usprawnić badania farmakologiczne, oferując wgląd w reakcje układu nerwowego na różne substancje. Co więcej, może być stosowany w mapowaniu mózgu, gdzie szczegółowa analiza mogłaby pomóc odkryć skomplikowaną dynamikę sieci neuronowych, ujawniając więcej informacji na temat funkcjonowania tego organu oraz połączeń między jego częściami. „Nasze wyniki nie tylko wspierają kreatywne badania w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, ale mają potencjał, by przyspieszać postęp w różnych złożonych dziedzinach, w których głębokie zrozumienie dynamiki neuronów i połączeń ma kluczowe znaczenie”, podkreśla Auslender.
Słowa kluczowe
ISLAND, mózg, neurony, optogenetyka, sztuczna inteligencja, matryca mikroelektrod, model, napady padaczkowe
