Ο εγκέφαλος των ψαριών-ζέβρα (zebrafish), αν και πιο απλός από τον ανθρώπινο, είναι ένα πολύπλοκο δίκτυο νευρώνων που εμπλέκονται σε έναν αδιάκοπο χορό ηλεκτρικής δραστηριότητας. Τι θα γινόταν αν αυτό το νευρικό μπαλέτο μπορούσε να αποκαλύψει τα μυστικά του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος -και ο ανθρώπινος- ελέγχουν την κίνηση;
«Η κύρια λειτουργία του εγκεφάλου είναι η κίνηση», εξηγεί η Claudia Feierstein, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο Current Biology.
«Τα φυτά δεν χρειάζονται εγκέφαλο επειδή δεν κινούνται. Ωστόσο, ακόμα και για κάτι τόσο απλό όπως οι κινήσεις των ματιών, ο ρόλος του εγκεφάλου παραμένει σε μεγάλο βαθμό αινιγματικός. Στόχος μας είναι να φωτίσουμε αυτό το “μαύρο κουτί” της κίνησης και να αποκωδικοποιήσουμε πώς η νευρική δραστηριότητα ελέγχει τις κινήσεις των ματιών και του σώματος, χρησιμοποιώντας το ψάρι-ζέβρα ως πρότυπο οργανισμό μας», αναφέρει η ειδικός.
Με τα μικροσκοπικά διαφανή σώματά τους, τα ψάρια-ζέβρα έχουν γίνει τα αγαπημένα της νευροεπιστήμης, προσφέροντας ένα μοναδικό παράθυρο στη λειτουργία του εγκεφάλου.
«Η κίνηση των ματιών είναι ένα κύκλωμα που διατηρείται σε όλα τα είδη, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Εάν μπορέσουμε να καταλάβουμε πώς λειτουργεί στα ψάρι-ζέβρα, μπορούμε να αρχίσουμε να καταλαβαίνουμε καλύτερα πώς ο ανθρώπινος εγκέφαλος ρυθμίζει την κίνηση», σημειώνει η Δρ. Feierstein.
Τα ψάρια-ζέβρα, όπως και οι άνθρωποι, διαθέτουν μια έμφυτη ικανότητα να σταθεροποιούν την όραση και τη θέση τους ως απάντηση στην κίνηση. Όταν ο κόσμος γύρω τους περιστρέφεται, τα μάτια και το σώμα τους κινούνται παράλληλα για να διατηρήσουν τη σταθερότητα. Αυτό μοιάζει με το να κρατάμε το βλέμμα μας σε ένα σταθερό σημείο ενώ βρισκόμαστε σε ένα γαϊτανάκι.
Πώς συντονίζει ο εγκέφαλος αυτή τη συμπεριφορά;
Προηγούμενη έρευνα από την ομάδα είχε δείξει ότι διαφορετικά μέρη του εγκεφάλου των ψαριών-ζέβρα συνδέονταν με διαφορετικούς τύπους κινήσεων. Ωστόσο, η ακριβής σχέση μεταξύ αυτών των περιοχών του εγκεφάλου και της πραγματικής συμπεριφοράς παρέμενε ασαφής.
«Ενώ γνωρίζουμε ότι οι νευρώνες εμπλέκονται στην ανίχνευση οπτικών ερεθισμάτων (η είσοδος) και στον έλεγχο των μυών (η έξοδος), παραμένουμε στο σκοτάδι σχετικά με την ενδιάμεση επεξεργασία», παρατηρεί η Δρ. Feierstein.
Αυτό που περιπλέκει ακόμα περισσότερο τα πράγματα είναι η πληθώρα των ερεθισμάτων στα οποία ανταποκρίνονται οι νευρώνες και ο εκπληκτικός όγκος δεδομένων που συλλέγονται από μελέτες απεικόνισης του εγκεφάλου. «Όταν έχεις δεκάδες χιλιάδες νευρώνες και 100 διαφορετικές πιθανές συμπεριφορές που θα μπορούσαν να κωδικοποιήσουν, δεν είναι ασήμαντο να καταλάβεις τι συμβαίνει».
Όπως εξηγεί ο Michael Orger, ένας από τους δύο συγγραφείς, όταν εξετάζουμε τη δραστηριότητα μεμονωμένων νευρώνων, διαπιστώνουμε ότι μπορούν να ανταποκριθούν σε πολλαπλές μεταβλητές συμπεριφοράς. Αυτό καθιστά δύσκολο να εντοπίσουμε τι ακριβώς οδηγεί τη δραστηριότητά τους.
Αυτό οδηγεί σε μια πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ των νευρώνων και της συμπεριφοράς, όπου μεμονωμένοι νευρώνες μπορούν να εμπλακούν σε πολλαπλούς τύπους κινήσεων.
Μια νέα αναλυτική προσέγγιση
Για να αντιμετωπίσουν αυτήν την πρόκληση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αρχικά μια στατιστική μέθοδο γνωστή ως γραμμική παλινδρόμηση για να διερευνήσουν τη σχέση μεταξύ μεταβλητών συμπεριφοράς και νευρωνικής δραστηριότητας.
Ωστόσο, γρήγορα συνειδητοποίησαν ότι η εξέταση των νευρώνων ένας προς έναν δεν παρείχε σαφή κατανόηση της συνολικής εικόνας. Ήταν σαν να προσπαθείς να καταλάβεις μια παράσταση χορού με εκατοντάδες χορευτές παρακολουθώντας μόνο τις κινήσεις ενός.
«Ξεκινήσαμε κοιτάζοντας μεμονωμένους νευρώνες, αλλά σύντομα συνειδητοποιήσαμε ότι έπρεπε να κατανοήσουμε το σύνολο, ολόκληρο το χορευτικό θίασο αν θέλετε. Έτσι, ενσωματώσαμε αυτό που είναι γνωστό ως βήμα μείωσης διαστάσεων στην ανάλυσή μας για να έχουμε μια σμίκρυνση του τι κάνει ο πληθυσμός των νευρώνων», εξηγεί η Δρ. Feierstein.
«Θέλαμε να μάθουμε πώς σχετίζεται η συνολική δραστηριότητα που μετράμε με τη συμπεριφορά και πώς μπορούμε να συνοψίσουμε τη δραστηριότητα δεκάδων χιλιάδων νευρώνων στα βασικά χαρακτηριστικά της», επισημαίνει ο Christian Machens, επίσης συγγραφέας της μελέτης και προσθέτει:
«Χρειάστηκε πολύς χρόνος για να αναπτυχθεί η αναλυτική προσέγγιση για αυτό. Αλλά μόλις καταφέραμε να ξεπεράσουμε αυτές τις προκλήσεις, μπορούσαμε τελικά να αναρωτηθούμε: πώς σχετίζεται η συνολική δραστηριότητα αυτών των νευρώνων με συγκεκριμένες συμπεριφορές, όπως η κίνηση των ματιών ή το κολύμπι;».
Στη μελέτη, τα ψάρια-ζέβρα ενσωματώθηκαν σε αγαρόζη, μια ουσία που μοιάζει με γέλη, για να τα κρατήσει σε σταθερή θέση έτσι ώστε οι ερευνητές να μπορούν να απεικονίσουν τον εγκέφαλο. Η αγαρόζη κοντά στα μάτια και τις ουρές τους αφαιρέθηκε για να επιτραπεί η κίνηση.
«Στη συνέχεια τοποθετήσαμε εικόνες σε μια οθόνη κάτω από τα ψάρια-ζέβρα και καταγράψαμε την εγκεφαλική δραστηριότητα με μια φθορίζουσα χρωστική ουσία μέσω μικροσκοπίου», αναφέρει η Δρ. Feierstein.
Αποκάλυψη της χορογραφίας του εγκεφάλου
Εφαρμόζοντας την αναλυτική τους προσέγγιση σε μια περιοχή του εγκεφάλου των ψαριών που ονομάζεται οπίσθιος εγκέφαλος, οι ερευνητές μπόρεσαν να συμπυκνώσουν την νευρωνική δραστηριότητα σε δύο κύρια χαρακτηριστικά ή πρότυπα δραστηριότητας, που αντιστοιχούσαν σε συγκεκριμένους τύπους κινήσεων και που πιθανώς δημιουργούνται από ξεχωριστά κυκλώματα στον οπίσθιο εγκέφαλο του ζέβρα.
Το πρώτο κύκλωμα που βρήκαν αφορά κυρίως τις κινήσεις των ματιών, συγκεκριμένα την περιστροφή των ματιών, είτε δεξιόστροφα είτε αριστερόστροφα. Φανταστείτε ένα ψάρι να βλέπει κάτι να περιστρέφεται στο περιβάλλον του. Για να διατηρήσει μια σταθερή θέα αυτού του αντικειμένου που περιστρέφεται, τα μάτια του ψαριού περιστρέφονται επίσης και η ουρά του μπορεί να κινηθεί. Ουσιαστικά, αυτό το κύκλωμα βοηθά το ψάρι να προσαρμόσει τα μάτια του για να διατηρεί μια σταθερή εικόνα αυτού που βλέπει.
«Είναι σαν ο εγκέφαλος να λέει: “Εντάξει, ο κόσμος γυρίζει γύρω μου, πρέπει να κινήσω τα μάτια μου για να τον παρακολουθώ“», εξηγεί η Δρ. Feierstein. Επιπλέον, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι οι νευρώνες που σχετίζονται με την περιστροφή προς τα αριστερά και προς τα δεξιά διαχωρίστηκαν ανατομικά στο αριστερό και δεξί ημισφαίριο του εγκεφάλου, αντίστοιχα.
Το δεύτερο κύκλωμα εμπλέκεται περισσότερο σε αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν σύγκλιση και κίνηση της ουράς. Σύγκλιση ονομάζεται η ικανότητα των ματιών να κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις -και τα δύο μάτια κινούνται προς ή μακριά από τη μύτη- ως απόκριση σε ερεθίσματα.
Αυτό το κύκλωμα μπαίνει στο παιχνίδι όταν το ψάρι αντιλαμβάνεται ένα ερέθισμα που κινείται από πίσω προς τα εμπρός. Νιώθοντας σαν να παρασύρεται προς τα πίσω, το ψάρι κολυμπά προς τα εμπρός για να σταθεροποιήσει τη θέση του. Ταυτόχρονα, τα μάτια του συγκλίνουν για να διατηρήσουν μια σταθερή εικόνα. Κατά συνέπεια, αυτό το κύκλωμα βοηθά το ψάρι να προσαρμόσει τις κινήσεις του σώματος και των ματιών του για να παραμείνει σε σταθερή θέση.
«Ένα εγκεφαλικό κύκλωμα ασχολείται κυρίως με τις κινήσεις των ματιών, ιδιαίτερα την περιστροφή, για τη διατήρηση μιας σταθερής εικόνας στον αμφιβληστροειδή. Το άλλο κύκλωμα εμπλέκεται κυρίως στην κίνηση του σώματος, ιδιαίτερα στην κολύμβηση, ως απόκριση σε οπτικά ερεθίσματα για τη διατήρηση μιας σταθερής θέσης στο περιβάλλον», εξηγεί ο Δρ. Orger και συνοψίζει:
«Αυτά τα κυκλώματα βοηθούν τα ψάρια να προσαρμοστούν στις αλλαγές στο περιβάλλον τους, επιτρέποντάς τους να διατηρούν σταθερή θέα και θέση. Αν και οι ακριβείς μηχανισμοί δεν είναι ακόμη απολύτως σαφείς, η μελέτη παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για το πώς τα χωριστά κυκλώματα στον εγκέφαλο ελέγχουν διαφορετικά είδη κινήσεων».
Αυτό που εξέπληξε περισσότερο τους επιστήμονες ήταν η στιβαρότητα των ευρημάτων τους. «Βρήκαμε αυτά τα κυκλώματα με συνέπεια σε κάθε μεμονωμένο ψάρι», σημειώνει.
Η μελέτη προτείνει ότι αυτά τα κυκλώματα δεν είναι ούτε καθαρά αισθητηριακά ούτε αμιγώς κινητικά, αλλά βρίσκονται κάπου ενδιάμεσα, μετατρέποντας πιθανώς τις αισθητηριακές πληροφορίες σε κινητικές ενέργειες. Στην ουσία, οι ερευνητές μπορεί να βρήκαν δύο διαφορετικούς «χορογράφους», ο καθένας εκ των οποίων κατευθύνει το δικό του σύνολο κινήσεων για να βοηθήσει το ψάρι να αλληλεπιδράσει αποτελεσματικά με το περιβάλλον του.
Μια απλούστερη άποψη για την πολυπλοκότητα
Η έρευνα της ομάδας όχι μόνο ενισχύει την κατανόησή μας για το πώς ο εγκέφαλος ελέγχει την κίνηση, αλλά εισάγει επίσης μια αναλυτική μέθοδο που θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως πολύτιμο εργαλείο για άλλους ερευνητές. «Το ωραίο με αυτή τη μέθοδο είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί από άλλους επιστήμονες για να κατανοήσουν καλύτερα τη σχέση μεταξύ νευρικής δραστηριότητας και συμπεριφοράς», λέει η Δρ. Feierstein.
Τα ευρήματα της μελέτης θα μπορούσαν ενδεχομένως να ανοίξουν νέους δρόμους για την κατανόηση συνθηκών όπου η μετάφραση των αισθητηριακών πληροφοριών σε κινητικές εντολές μπορεί να διαταραχθεί, όπως σε ορισμένες νευρολογικές διαταραχές. Επιπλέον, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να εμπνεύσουν νέες προσεγγίσεις στη ρομποτική και τη μηχανική εκμάθηση, όπου η έννοια της μετάφρασης αισθητηριακών δεδομένων σε κίνηση είναι θεμελιώδης αρχή.
«Η αναλυτική τεχνική που αναπτύξαμε υπογραμμίζει μια κριτική εικόνα: ενώ μεμονωμένοι νευρώνες μπορεί να είναι απίστευτα περίπλοκοι, σε επίπεδο πληθυσμού, η συμπεριφορά τους μπορεί να αναλυθεί σε απλούστερα μοτίβα. Είναι μια υπενθύμιση ότι μερικές φορές, για να κατανοήσουμε τον περίπλοκο χορό του εγκεφάλου, πρέπει να κάνουμε ένα βήμα πίσω και να δούμε ολόκληρο το σύνολο», καταλήγει ο Δρ. Machens.