Od regulacji oddechu po nasze najbardziej skomplikowane myśli – działanie mózgu to efekt wspólnej pracy około 86 miliardów komórek nerwowych. Neurony stanowią podstawowy element budujący ludzki układ nerwowy. Największe z nich mają średnicę zaledwie ok. 120 μm i choć samodzielnie nie są w stanie wiele zdziałać, to razem tworzą unikalną całość, będącą źródłem naszych myśli, odczuć czy spostrzeżeń. Niektórzy twierdzą, że „jesteśmy naszymi mózgami”, inni sprzeciwiają się temu twierdzeniu, argumentując, że każdy z nas sprawuje władzę nad własnym mózgiem. Jednak w 2010 roku dr Sebastian Seung zasugerował, że w istocie, jesteśmy… naszym konektomem.
Konektom to sieć powiązań w mózgu, kompletna mapa przedstawiająca, w jaki sposób łączą się ze sobą poszczególne neurony. Ilość połączeń między wszystkimi neuronami sięga około 100 trylionów. Choć naszemu mózgowi trudno wyobrazić sobie tak ogromną liczbę, ma ona szczególne znaczenie dla jego funkcjonowania. Każdy neuron łączy się z tysiącami innych neuronów, przekazując i otrzymując od nich informacje wpływające na jego aktywność. Aby zrozumieć, czym tak naprawdę zajmuje się jeden z neuronów, należy zrozumieć kontekst jego działania – całą sieć neuronową. Zespół dr Wei-Chung Allen Lee ze Szkoły Medycznej Harvardu sugeruje, że to właśnie połączenia między neuronami determinują ich funkcje.
„Kiedy zasypiamy, aktywność naszego mózgu zmienia się diametralnie, zatrzymując procesy myślowe czy emocjonalne. Jednak kiedy się budzimy, powracamy do swoich myśli i uczuć, a nasze poczucie tożsamości pozostaje nienaruszone. Podejrzewamy, że jest to możliwe za sprawą połączeń w naszym mózgu, które przez noc pozostają niezmienione. Struktura połączeń między neuronami definiuje „nas”, a konektomika stanowi klucz do zrozumienia tej struktury.” wyjaśnia dr Lee.
Badania mapujące połączenia komórek nerwowych dają jeszcze jedną możliwość – zrozumienia, w jaki sposób formują się tak istotne dla działania mózgu sieci neuronalne, łączące poszczególne komórki nerwowe w funkcjonalną całość. Zespół badawczy z Harvardu próbuje zrozumieć, jakimi regułami rządzi się architektura naszego mózgu – w jaki sposób neurony zaczynają ze sobą współpracować.
Ze względu na swoją objętość, mózg człowieka stanowi dla naukowców niemałe wyzwanie. W związku z tym w swoich dotychczasowych badaniach naukowcy z zespołu dr. Lee zajmowali się nieco mniejszymi mózgami, mapując całość połączeń układu nerwowego muszek owocowych oraz konkretne ścieżki neuronalne myszy. Dzięki wykorzystaniu transmisyjnej mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości zespołowi dr. Lee udało się wygenerować ogromne ilości danych dotyczących połączeń między neuronami. Na ich podstawie stworzono bazę danych poddaną analizie z wykorzystaniem sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego. Tym sposobem dane zostały zwizualizowane jako mapy połączeń neuronów, na które nałożono mapy aktywności mózgowej.
Najnowsze badanie zespołu badawczego opublikowane w Nature skupiło się na analizie przetwarzania informacji w móżdżku myszy. Jako obszar odpowiedzialny między innymi za koordynację i płynność ruchów, móżdżek porównuje zamierzony ruch z faktycznym efektem jego wykonania.
„Jeśli spróbujesz dotknąć swojego nosa i chybisz, móżdżek otrzyma zarówno informację o planowanym ruchu pochodzącą z kory motorycznej, jak i informację o rzeczywistym położeniu palca i odczuciu, które wywołał, pochodzącą z kory sensorycznej. Móżdżek porównuje te informacje, aby umożliwić korygowanie błędów podczas przyszłego działania.” tłumaczy dr Lee.
W procesie tym biorą udział trzy rodzaje komórek nerwowych. Informacje z pozostałych obszarów mózgu trafiają najpierw do komórek ziarnistych znajdujących się w korze móżdżku. Łączą się one z włóknami kiciastymi przekazującymi informacje do samego móżdżku, gdzie pojedyncze komórki Purkiniego integrują informacje z nawet 200 000 komórek ziarnistych, a następnie wysyłają je do innych obszarów mózgu, tworząc obwód zwany feedforward (sprzężenie wyprzedzające) – ścieżkę neuronalną pozwalającą na unikanie błędów w przyszłości.
Dotychczas uważano, że dendryty komórek ziarnistych łączą się z włóknami kiciastymi w sposób przypadkowy, umożliwiając tym samym przekazywanie jak największej ilości informacji do komórek Purkiniego. Zespół badawczy z Harvardu odkrył jednak, że wiele komórek ziarnistych łączy się z tymi samymi włóknami kiciastymi. Naukowcy zauważyli, że chociaż takie rozwiązanie pozwala na przekazywanie nieco mniejszej ilości informacji, wytworzone połączenia są silniejsze i bardziej odporne na działanie tzw. szumu – zakłóceń w postaci zbędnych dla danej sieci informacji.
„Dopiero zaczynamy rozumieć, w jaki sposób neurony łączą się ze sobą, aby tworzyć funkcjonalne sieci, ale konektomika już zmienia neuronaukę” zapewnia dr Lee.
Mimo ograniczeń wynikających z obecnej technologii i sposobów danych, konektomika daje nam szansę na zrozumienie roli, jaką pełni w naszym mózgu 86 miliardów neuronów i 100 trylionów połączeń między nimi – w końcu to one stoją za naszymi myślami, emocjami i percepcją, za tym, kim jesteśmy.
