Nowe modele dynamicznych systemów neuronalnych inspirowane mózgiem danio pręgowanego

Pracując z tygodniowymi larwami danio pręgowanego, naukowcy z Weill Cornell Medicine i współpracownicy odkryli, w jaki sposób połączenia utworzone przez sieć neuronów w pniu mózgu kierują wzrokiem ryb. Badanie, opublikowane 22 listopada w Nature Neuroscience, wykazało, że uproszczony sztuczny obwód, oparty na architekturze tego układu neuronalnego, może przewidywać aktywność w sieci. Oprócz rzucenia światła na to, jak mózg radzi sobie z pamięcią krótkotrwałą, odkrycia te mogą prowadzić do nowych podejść do leczenia zaburzeń ruchów gałek ocznych.

Organizmy nieustannie przyjmują szereg informacji sensorycznych o środowisku, które zmienia się z chwili na chwilę. Aby dokładnie ocenić sytuację, mózg musi zachować te informacje wystarczająco długo, aby wykorzystać je do stworzenia pełnego obrazu – na przykład łącząc słowa w zdaniu lub pozwalając zwierzęciu skierować wzrok na obszar zainteresowania.

„Próba zrozumienia, w jaki sposób te zachowania pamięci krótkotrwałej są generowane na poziomie mechanizmu neuronowego, jest głównym celem projektu” – powiedział starszy autor dr Emre Aksay, profesor nadzwyczajny fizjologii i biofizyki w Weill Cornell Medicine, który kierował badaniem wraz z dr Markiem Goldmanem z University of California Davis i dr Sebastianem Seungiem z Princeton University.

Modelowanie systemu dynamicznego

Aby rozszyfrować zachowanie takich obwodów neuronalnych, neuronaukowcy wykorzystują narzędzia systemów dynamicznych, które obejmują budowanie modeli matematycznych opisujących, w jaki sposób stan systemu zmienia się w czasie, gdzie obecny stan determinuje jego przyszłe stany zgodnie z zestawem reguł. Na przykład obwód pamięci krótkotrwałej pozostanie w jednym preferowanym stanie, dopóki nie pojawi się nowy bodziec, który spowoduje przejście do nowego stanu aktywności. W układzie wzrokowo-ruchowym każdy z tych stanów może przechowywać pamięć o tym, gdzie zwierzę powinno patrzeć.

Ale jakie parametry pomagają skonfigurować tego typu system dynamiczny? Jedną z możliwości jest anatomia obwodu: połączenia, które tworzą się między każdym neuronem i liczba połączeń, które tworzą. Inną prawdopodobną możliwością jest fizjologiczna siła tych połączeń, która jest ustalana przez niezliczone czynniki, takie jak ilość uwalnianego neuroprzekaźnika, rodzaj receptorów synaptycznych i stężenie tych receptorów.
Aby zrozumieć wpływ anatomii obwodu, dr Aksay i jego współpracownicy przyjrzeli się larwalnym rybom danio pręgowany. W wieku pięciu dni te rybki pływają i polują na zdobycz, co wymaga ciągłej uwagi wzrokowej. Co ważne dla zespołu badawczego, obszar mózgu kontrolujący ruchy gałek ocznych jest strukturalnie podobny u ryb i ssaków. Ale system zebrafish zawiera tylko 500 neuronów. „Możemy więc analizować cały obwód – mikroskopowo i funkcjonalnie” – powiedział dr Aksay. „To bardzo trudne do zrobienia u innych kręgowców”.

Danio pręgowany rzuca światło na obwody neuronalne

Korzystając z szeregu zaawansowanych technik obrazowania, dr Aksay i współpracownicy zidentyfikowali neurony, które uczestniczą w kontrolowaniu wzroku zwierząt, a następnie określili, w jaki sposób neurony te są ze sobą połączone. Odkryli, że system składa się z dwóch wyraźnych pętli sprzężenia zwrotnego, z których każda zawiera trzy skupiska ściśle połączonych komórek. Naukowcy wykorzystali tę charakterystyczną architekturę do zbudowania modelu obliczeniowego. Odkryli, że ich sztuczna sieć może dokładnie przewidywać wzorce aktywności obwodu danio pręgowanego, co potwierdzili porównując swoje wyniki z danymi fizjologicznymi.

„Uważam się przede wszystkim za fizjologa” – powiedział dr Aksay. „Byłem więc zaskoczony, jak wiele zachowań obwodu mogliśmy przewidzieć na podstawie samej architektury anatomicznej”.

Następnie naukowcy zbadają, w jaki sposób komórki w każdym klastrze przyczyniają się do zachowania obwodu – i czy neurony w różnych klastrach mają różne sygnatury genetyczne. Takie informacje mogą pozwolić klinicystom na terapeutyczne ukierunkowanie tych komórek, które mogą nieprawidłowo funkcjonować w zaburzeniach ruchów gałek ocznych. Odkrycia te stanowią również plan rozwikłania bardziej złożonych systemów obliczeniowych w mózgu, które opierają się na pamięci krótkotrwałej, takich jak te zaangażowane w rozszyfrowywanie scen wizualnych lub rozumienie mowy.

Badania nad neuronalnymi mechanizmami pamięci krótkotrwałej i kontrolą ruchów gałek ocznych, przeprowadzone na larwach danio pręgowanego, mają istotne implikacje dla medycyny i zdrowia ludzi. Dzięki prostocie układu nerwowego tych ryb, naukowcy mogą dokładnie mapować połączenia neuronów i modelować ich funkcje, co stanowi cenne narzędzie do zrozumienia bardziej złożonych systemów w ludzkim mózgu. Odkrycia dotyczące pętli sprzężenia zwrotnego oraz wpływu architektury anatomicznej na funkcjonowanie pamięci krótkotrwałej mogą znaleźć zastosowanie w projektowaniu nowych terapii dla osób z zaburzeniami neurologicznymi, takimi jak dysfunkcje ruchów gałek ocznych czy schorzenia wpływające na pamięć i percepcję wzrokową. Ponadto, wiedza o specyficznych sygnaturach genetycznych neuronów w klastrach obwodów może otworzyć drogę do precyzyjnych metod leczenia opartego na terapii genowej lub celowanych interwencjach farmakologicznych, co może zrewolucjonizować podejście do leczenia chorób neurodegeneracyjnych i innych zaburzeń mózgu.

Źródło: Nature Neuroscience, Weill Cornell Medicine, fot. Jessica Plavicki