Ερευνητές εντόπισαν 539 νέες χημικές ζώνες στον εγκέφαλο

Σύνοψη

• Ολοκληρώθηκε ο πρώτος τρισδιάστατος χάρτης λιπιδίων εγκεφάλου.
• Εντοπίστηκαν 539 διακριτές χημικές ζώνες, γνωστές πλέον ως “lipizones”.
• Ανατράπηκε η παλαιότερη θεωρία που ήθελε τη λευκή ουσία να έχει ομοιόμορφη χημική σύσταση.
• Διαπιστώθηκε ότι η εγκυμοσύνη προκαλεί βαθιές χημικές αναδιαρθρώσεις στον εγκέφαλο.
• Το Lipid Brain Atlas παρέχεται δωρεάν στο διαδίκτυο για τους ερευνητές παγκοσμίως.

Οι επιστήμονες που μελετούν τη βιολογία του εγκεφάλου είχαν πάντοτε ένα τεράστιο κενό στην κατανόηση των λιπιδίων, καθώς αυτά τα απαραίτητα λιπαρά μόρια που περιβάλλουν τους νευρώνες και συμβάλλουν αποφασιστικά στην προστασία των νευρικών ινών δεν ήταν εύκολο να χαρτογραφηθούν με τις συμβατικές τεχνικές απεικόνισης. 

Ερευνητές από το Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), με επικεφαλής τους καθηγητές Giovanni D’Angelo, Luca Fusar Bassini και Gioele La Manno, κατάφεραν να καλύψουν αυτό ακριβώς το κενό μέσω μιας επαναστατικής έρευνας που δημοσιεύτηκε στο κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό Nature. Το αποτέλεσμα της μακροχρόνιας εργασίας τους είναι ο πρώτος λεπτομερής τρισδιάστατος χάρτης, ο οποίος αποκαλύπτει με εντυπωσιακή ακρίβεια τον τρόπο με τον οποίο κατανέμονται τα λιπίδια στο εσωτερικό του εγκεφάλου ενός ποντικού.

Η χαρτογράφηση εντοπίζει 539 διακριτές χημικές ζώνες, ονομαζόμενες “lipizones“, αποδεικνύοντας ότι η λευκή ουσία του εγκεφάλου διαθέτει εξαιρετικά πολύπλοκη δομή, με τεράστιες προεκτάσεις για την έρευνα σε νευρολογικές παθήσεις.

Για να καταφέρουν να δομήσουν τον συγκεκριμένο άτλαντα, οι επιστήμονες αξιοποίησαν την απεικόνιση φασματομετρίας μάζας, μια εξαιρετικά προηγμένη τεχνική που επιτρέπει την ακριβή αναγνώριση εκατοντάδων μεμονωμένων λιπιδικών μορίων σε απειροελάχιστου πάχους τμήματα εγκεφαλικού ιστού. Οι ερευνητές εξέτασαν συνολικά 172 διαφορετικά λιπίδια σε 109 τομές που συλλέχθηκαν από 11 ποντίκια, μια διαδικασία που οδήγησε στη δημιουργία περίπου 7 εκατομμυρίων σημείων δεδομένων τα οποία εν συνεχεία αναλύθηκαν με τη βοήθεια εξειδικευμένων εργαλείων μηχανικής μάθησης για να δημιουργηθεί η τελική τρισδιάστατη αναπαράσταση. Οι 539 περιοχές που ανακαλύφθηκαν και βαφτίστηκαν “lipizones” φέρουν η κάθε μία τη δική της απόλυτα μοναδική χημική υπογραφή, λειτουργώντας ουσιαστικά σαν ανεξάρτητοι ταχυδρομικοί κώδικες που συνδέουν σχετικές μεταξύ τους εγκεφαλικές λειτουργίες.

Οι εκπλήξεις της λευκής ουσίας και της εγκυμοσύνης

Οι επιστήμονες θεωρούσαν για πολλές δεκαετίες ότι η λευκή ουσία, ο ιστός δηλαδή που περιέχει τις νευρικές ίνες και αναλαμβάνει την επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου, παρουσίαζε μια γενικότερα ομοιόμορφη χημική σύσταση. Ο νέος άτλαντας έρχεται να καταρρίψει ολοκληρωτικά αυτή την παραδοχή, αποκαλύπτοντας ότι η λευκή ουσία αποτελεί στην πραγματικότητα ένα απίστευτα πολύπλοκο μωσαϊκό από διακριτές χημικές ζώνες. Τα κύτταρα που παράγουν τη μυελίνη, το προστατευτικό κάλυμμα των νευρικών ινών, διαθέτουν μια χημική ποικιλομορφία που δεν θα μπορούσε ποτέ να προβλεφθεί απλώς και μόνο μέσα από τη γενετική τους ανάλυση. Επιπλέον, οι ερευνητές εντόπισαν αναπάντεχα χημικά όρια στο χοριοειδές πλέγμα, μια σημαντική δομή η οποία φέρει την ευθύνη για την παραγωγή του εγκεφαλονωτιαίου υγρού.

Πέρα από την χαρτογράφηση της βασικής χημικής δομής, οι ερευνητές αποφάσισαν να μελετήσουν και τις διαφοροποιήσεις που προκύπτουν κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης. Τα ευρήματα ήταν κάτι παραπάνω από εντυπωσιακά, αφού καταγράφηκαν μαζικές μετατοπίσεις στη σύνθεση των λιπιδίων σε πάρα πολλές περιοχές του εγκεφάλου, ιδιαίτερα στον φλοιό. Τα επίπεδα του γαλακτοσυλκεραμιδίου, ενός συστατικού που θεωρείται θεμελιώδες για τη δημιουργία της μυελίνης, παρουσίασαν κατακόρυφη αύξηση στο μεγαλύτερο μέρος της λευκής ουσίας, υποδηλώνοντας ότι ο εγκέφαλος επανακαλωδιώνεται με άκρως στοχευμένο τρόπο για να ανταποκριθεί επιτυχώς στις αυξημένες φυσιολογικές απαιτήσεις του σώματος κατά την κυοφορία.

Η δημιουργία του Lipid Brain Atlas αποτελεί ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς η επιστήμη των δεδομένων και οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης μπορούν πλέον να ξεδιαλύνουν βιολογικά μυστήρια που παρέμεναν άλυτα εξαιτίας του περιορισμού των αναλογικών μεθόδων παρατήρησης. Παρόλο που τα πειράματα έγιναν σε ποντίκια, η μεθοδολογία του EPFL δημιουργεί ένα εντελώς νέο ψηφιακό εγχειρίδιο ανοιχτού κώδικα, το οποίο προσφέρεται δωρεάν στην παγκόσμια ιατρική κοινότητα. 

Αυτό σημαίνει πρακτικά ότι τα ερευνητικά κέντρα και τα πανεπιστήμια έχουν πλέον στα χέρια τους άμεση πρόσβαση σε έναν ωκεανό δεδομένων, τον οποίο μπορούν να αξιοποιήσουν για να προχωρήσουν τις δικές τους έρευνες απέναντι σε νευροεκφυλιστικές παθήσεις όπως το Αλτσχάιμερ ή ακόμη και διάφορες μορφές κλινικής κατάθλιψης.