Ερευνητές συνέδεσαν τρία ανθρώπινα οργανοειδή εγκεφάλου και παρατήρησαν την ανάπτυξη ικανότητας μάθησης

Σύνοψη

• Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο καλλιέργησαν και συνέδεσαν ανθρώπινα οργανοειδή εγκεφάλου σε ειδικά μικροτσίπ εξοπλισμένα με ηλεκτρόδια.
• Η εφαρμογή επαναλαμβανόμενης ηλεκτρικής διέγερσης απέδειξε ότι μόνο τα δίκτυα τριών οργανοειδών μπόρεσαν να αναπτύξουν την ικανότητα διαχωρισμού των σημάτων.
• Η απουσία της ίδιας ικανότητας σε μεμονωμένους ή διπλούς ιστούς υποδηλώνει την απόλυτη αναγκαιότητα της αρθρωτής αρχιτεκτονικής για την επεξεργασία πολύπλοκων πληροφοριών.
• Η επιστημονική μελέτη ανοίγει νέους δρόμους για την κατανόηση της νευροπλαστικότητας και την ανάπτυξη υβριδικών βιολογικών υπολογιστικών συστημάτων στο εγγύς μέλλον.

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος αποτελεί την πλέον πολύπλοκη μηχανή επεξεργασίας πληροφοριών που γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, ωστόσο η μελέτη των εσωτερικών του διεργασιών υπόκειται σε αυστηρούς ηθικούς και πρακτικούς περιορισμούς που αποτρέπουν τις επεμβατικές δοκιμές σε ζωντανούς οργανισμούς. Οι επιστήμονες παρακάμπτουν τα καθιερωμένα ηθικά εμπόδια αναπτύσσοντας μικροσκοπικά, τρισδιάστατα συμπλέγματα ανθρώπινου νευρικού ιστού στο εργαστήριο, τα οποία αναπαράγουν υποδειγματικά μέρος της κυτταρικής αρχιτεκτονικής και της ηλεκτρικής δραστηριότητας του πραγματικού οργάνου. 

Μια νέα μελέτη από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο προχωρά τη βιολογική έρευνα ένα σημαντικό βήμα παραπέρα, συνδέοντας πολλαπλά τέτοια οργανοειδή εγκεφάλου σε ένα ενιαίο δίκτυο προκειμένου να παρατηρηθεί ο ακριβής τρόπος με τον οποίο τα συμπλέγματα μαθαίνουν να διαχωρίζουν τα εισερχόμενα ηλεκτρικά σήματα.

Πώς τα οργανοειδή εγκεφάλου αναπτύσσουν ικανότητες μάθησης στο εργαστήριο

Τα οργανοειδή εγκεφάλου αναπτύσσουν ικανότητες μάθησης αποκλειστικά όταν συνδεθούν σε δίκτυα αρθρωτής αρχιτεκτονικής. Η μελέτη απέδειξε ότι ένα σύστημα τριών οργανοειδών υπό καθημερινή ηλεκτρική διέγερση επί δύο εβδομάδες καταφέρνει να διαχωρίζει την πηγή προέλευσης των ηλεκτρικών σημάτων, ικανότητα που δεν καταγράφεται στους μεμονωμένους ιστούς.

Τα οργανοειδή εγκεφάλου δεν αποτελούν σε καμία περίπτωση μικρογραφίες ενός ολοκληρωμένου εγκεφάλου με ανεξάρτητη συνείδηση, αλλά αντιπροσωπεύουν τμήματα εξειδικευμένου ιστού που καλλιεργούνται από ανθρώπινα επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα (hiPSCs), δηλαδή ώριμα κύτταρα που έχουν επαναπρογραμματιστεί κατάλληλα ώστε να ανακτήσουν την ικανότητα να εξελίσσονται σε διάφορους τύπους κυττάρων υπό τις απαραίτητες χημικές συνθήκες. 

Η ερευνητική ομάδα καθοδήγησε τα πολύδυναμα βλαστοκύτταρα προς τη δημιουργία νευρικού ιστού, παράγοντας μικροσκοπικά τμήματα τα οποία τοποθετήθηκαν προσεκτικά πάνω σε ειδικά κατασκευασμένα μικροτσίπ που έφεραν επιφάνειες καλυμμένες με ηλεκτρόδια υψηλής ακρίβειας. Ο εξοπλισμός επέτρεψε στους επιστήμονες αφενός να διεγείρουν τα οργανοειδή με στοχευμένα ηλεκτρικά σήματα και αφετέρου να καταγράφουν με εξαιρετική λεπτομέρεια την προκύπτουσα νευρωνική δραστηριότητα σε πραγματικό χρόνο. 

Για την εξαγωγή απόλυτα ασφαλών συμπερασμάτων σχετικά με την πολυπλοκότητα των δικτύων, τα μικροτσίπ φιλοξένησαν διαφορετικούς αριθμούς οργανοειδών, ξεκινώντας από μεμονωμένα δείγματα, προχωρώντας σε ανεξάρτητα ζεύγη και καταλήγοντας σε ομάδες των τριών διασυνδεδεμένων κόμβων.

Η αρχιτεκτονική της μάθησης μέσω ηλεκτρικής διέγερσης

Μετά την αρχική διαδικασία της τοποθέτησης, τα βιολογικά συστήματα παρέμειναν ανενόχλητα για περισσότερες από δύο εβδομάδες προκειμένου οι νεοσχηματισμένοι νευρώνες να αναπτύξουν τους απαραίτητους νευροάξονες, τις μακριές προεκβολές που αναλαμβάνουν να μεταφέρουν τα σήματα, και να σχηματίσουν λειτουργικές συνάψεις μεταξύ τους. Οι αναλυτικές καταγραφές που ακολούθησαν την αρχική περίοδο της ανάπτυξης επιβεβαίωσαν πέραν πάσης αμφιβολίας τον απόλυτο συγχρονισμό της ηλεκτρικής δραστηριότητας ανάμεσα στα οργανοειδή που βρίσκονταν στο ίδιο μικροτσίπ, πιστοποιώντας τη δημιουργία ενός βιώσιμου και άρτια διασυνδεδεμένου νευρωνικού δικτύου στο εργαστήριο. 

Η κύρια πειραματική φάση περιελάμβανε την καθημερινή εφαρμογή εκατό ηλεκτρικών παλμών σε δύο διαφορετικά σημεία των δικτύων για ένα συνεχόμενο διάστημα δεκατεσσάρων ημερών, ενώ παράλληλα γινόταν αδιάκοπη καταγραφή της προκύπτουσας αντίδρασης στο υπόλοιπο κύκλωμα του τσιπ. Στα μικροτσίπ με το ένα οργανοειδές, οι παλμοί εφαρμόστηκαν σε δύο σημεία του ίδιου ιστού, στα διπλά συστήματα οι παλμοί δόθηκαν στο ένα οργανοειδές και η καταγραφή έγινε στο δεύτερο, ενώ στην κρίσιμη περίπτωση των τριών οργανοειδών οι ηλεκτρικές διεγέρσεις μοιράστηκαν στα δύο πρώτα και η συνολική νευρωνική δραστηριότητα καταγράφηκε αποκλειστικά στο τρίτο που παρέμεινε ανέπαφο από τις άμεσες εξωτερικές παρεμβάσεις των ερευνητών.

Ο βασικός στόχος της εκτενούς διαδικασίας επικεντρώθηκε στην άμεση παρατήρηση του κατά πόσο η επαναλαμβανόμενη ηλεκτρική διέγερση θα μπορούσε να εκπαιδεύσει τον ιστό να ανταποκρίνεται με εντελώς διαφορετικό τρόπο ανάλογα με την αρχική πηγή προέλευσης του εξωτερικού σήματος. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε με τη πολύτιμη βοήθεια προηγμένων αλγορίθμων μηχανικής μάθησης, οι οποίοι κλήθηκαν να αναγνωρίσουν με ακρίβεια ποιο από τα δύο σημεία είχε διεγερθεί κάθε φορά βάσει των πολύπλοκων μοτίβων δραστηριότητας που προέκυπταν στην πορεία. Κατά την έναρξη του πρωτοποριακού πειράματος, οι εξελιγμένοι αλγόριθμοι κατάφερναν να αναγνωρίσουν τη σωστή πηγή με ποσοστό επιτυχίας που άγγιζε μετά βίας το πενήντα τοις εκατό, επιβεβαιώνοντας πανηγυρικά ότι οι αρχικές αντιδράσεις των δικτύων δεν παρουσίαζαν καμία απολύτως ουσιαστική διαφοροποίηση στον τρόπο απόκρισης. 

Η φυσιολογική ολοκλήρωση των δεκατεσσάρων ημερών συνεχούς διέγερσης αποκάλυψε μια εντελώς διαφορετική εικόνα για τα συστήματα που αποτελούνταν από τρία οργανοειδή, καθώς τα σήματα που προέρχονταν από τους δύο διαφορετικούς πομπούς έγιναν σταδιακά και σαφώς διακριτά στην τελική καταγραφή του τρίτου παραλήπτη, αποδεικνύοντας την προσαρμοστικότητα του δικτύου.

Οι συνέπειες της αρθρωτής αρχιτεκτονικής

Οι λεπτομερείς μετρήσεις έδειξαν ότι οι απαντήσεις του πολύπλοκου δικτύου έγιναν εντυπωσιακά ταχύτερες, περισσότερο σταθερές και κυρίως χωρικά διαφοροποιημένες στο πέρασμα του χρόνου, αποδεικνύοντας πρακτικά ότι τα επαναλαμβανόμενα σήματα οδήγησαν στην πραγματική δομική αναδιοργάνωση των νευρωνικών κυκλωμάτων. Από την άλλη, τα απλούστερα συστήματα που αποτελούνταν από ένα ή δύο οργανοειδή απέτυχαν παταγωδώς να παρουσιάσουν οποιαδήποτε αντίστοιχη βελτίωση στην αναγνώριση των σημάτων, όπως ακριβώς συνέβη και με τα δίκτυα των τριών οργανοειδών που λειτούργησαν απλώς ως ομάδα ελέγχου και δεν υποβλήθηκαν ποτέ στην καθημερινή διαδικασία της ηλεκτρικής διέγερσης. 

Η παρατήρηση αποδεικνύει ότι η ικανότητα λειτουργικού διαχωρισμού των σημάτων δεν προκύπτει τυχαία ή απλώς από τον χρόνο ωρίμανσης του ιστού στο εργαστήριο, αλλά απαιτεί τη συνδυασμένη λειτουργία ενός πολύπλοκου συστήματος αρθρωτής αρχιτεκτονικής (modular architecture) προκειμένου να καταστεί εφικτή η στοιχειώδης νευρωνική μάθηση. Ο πραγματικός ανθρώπινος εγκέφαλος δεν αποτελεί ένα ομοιογενές μείγμα κυττάρων που εκτελούν παρόμοιες λειτουργίες, αλλά οργανώνεται φυσικά σε διακριτές περιοχές με τοπικά δίκτυα που επικοινωνούν ασταμάτητα μέσω συνδέσεων μεγάλης εμβέλειας, επιτρέποντας στα διάφορα τμήματα να εκτελούν διαφορετικούς ρόλους διατηρώντας ακέραιη την ενότητα του συνόλου.

Η βασική αναγνώριση εισερχόμενων σημάτων συνιστά τον απόλυτο θεμέλιο λίθο για την πραγματοποίηση εξαιρετικά πολύπλοκων διαδικασιών επεξεργασίας πληροφοριών και η παρούσα έρευνα προσφέρει στους επιστήμονες έναν νέο, πειραματικά ελεγχόμενο και ηθικά αποδεκτό τρόπο για να μελετήσουν σε βάθος την ανάδυση αναβαθμισμένων νευρωνικών λειτουργιών. 

Οι επόμενες μελέτες αναμένεται να εστιάσουν στον ακριβή εντοπισμό συγκεκριμένων νευρώνων-κόμβων που διευκολύνουν τις βιολογικές συνδέσεις εντός και εκτός των οργανοειδών, χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα προηγμένες βιοχημικές και μοριακές αναλύσεις για να αποκαλύψουν τη βαθύτερη μηχανιστική βάση πίσω από τις δομικές αλλαγές στις συνάψεις.