Σπάζοντας τον κώδικα που συνδέει τον εγκέφαλο και τη συμπεριφορά σε ένα απλό ζώο

Σπάζοντας τον κώδικα που συνδέει τον εγκέφαλο και τη συμπεριφορά σε ένα απλό ζώο

Οι ερευνητές του MIT μοντελοποιούν και δημιουργούν έναν άτλαντα για το πώς οι νευρώνες του σκουληκιού C. elegans κωδικοποιούν τις συμπεριφορές του, και καθιστούν τα ευρήματα διαθέσιμα στο "WormWideWeb".

Για να κατανοήσουν την πλήρη σχέση μεταξύ της εγκεφαλικής δραστηριότητας και της συμπεριφοράς, οι επιστήμονες χρειάζονταν έναν τρόπο να χαρτογραφήσουν αυτή τη σχέση για όλους τους νευρώνες σε έναν ολόκληρο εγκέφαλο - μια μέχρι τώρα ανυπέρβλητη πρόκληση. Αφού όμως επινόησαν νέες τεχνολογίες και μεθόδους για το σκοπό αυτό, μια ομάδα επιστημόνων του Ινστιτούτου Μάθησης και Μνήμης Picower του ΜΙΤ δημιούργησε μια αυστηρή καταγραφή των νευρώνων στον ιδιαίτερα μικροσκοπικό εγκέφαλο ενός σκουληκιού C. elegans, χαρτογραφώντας τον τρόπο με τον οποίο τα εγκεφαλικά του κύτταρα κωδικοποιούν σχεδόν όλες τις βασικές συμπεριφορές του, όπως η κίνηση και η σίτιση.

Σε μια έκθεση ανοικτής πρόσβασης στο περιοδικό Cell, η ομάδα παρουσιάζει νέες καταγραφές σε ολόκληρο τον εγκέφαλο και ένα μαθηματικό μοντέλο που προβλέπει με ακρίβεια τους ποικίλους τρόπους με τους οποίους οι νευρώνες αναπαριστούν τις συμπεριφορές του σκουληκιού. Εφαρμόζοντας αυτό το μοντέλο ειδικά σε κάθε κύτταρο, η ομάδα δημιούργησε έναν άτλαντα του τρόπου με τον οποίο τα περισσότερα κύτταρα και τα νευρωνικά δίκτυα στα οποία συμμετέχουν, κωδικοποιούν τις ενέργειες του ζώου. Ο άτλαντας αποκαλύπτει επομένως την υποκείμενη "λογική" του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος του σκουληκιού παράγει ένα εξελιγμένο και ευέλικτο σύνολο συμπεριφορών, ακόμη και όταν οι περιβαλλοντικές συνθήκες αλλάζουν.

"Η μελέτη αυτή παρέχει έναν σφαιρικό χάρτη του τρόπου με τον οποίο το νευρικό σύστημα του οργανισμού αυτού οργανώνεται για να ελέγχει τη συμπεριφορά", λέει ο επικεφαλής συγγραφέας Steven Flavell, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Εγκεφάλου και Γνωστικών Επιστημών του ΜΙΤ. "Δείχνει πώς οι πολυάριθμοι καθορισμένοι κόμβοι που αποτελούν το νευρικό σύστημα του ζώου κωδικοποιούν ακριβή χαρακτηριστικά συμπεριφοράς και πώς αυτό εξαρτάται από παράγοντες όπως η πρόσφατη εμπειρία και η τρέχουσα κατάσταση του".

Οι πρόσφατοι απόφοιτοι του ΜΙΤ Jungsoo Kim PhD '23 και Adam Atanas PhD '23, οι οποίοι απέκτησαν το διδακτορικό τους την άνοιξη για την έρευνα, είναι οι συν-επικεφαλής συγγραφείς της μελέτης. Έχουν διαθέσει όλα τα δεδομένα τους, καθώς και τα ευρήματα του μοντέλου και του άτλαντά τους, ελεύθερα σε συναδέλφους ερευνητές σε έναν ιστότοπο που ονομάζεται WormWideWeb.

Μικροσκόπια και μοντέλα

Για να κάνουν τις μετρήσεις που απαιτούνται για την ανάπτυξη του μοντέλου τους, το εργαστήριο του Flavell εφηύρε ένα νέο μικροσκόπιο και ένα σύστημα λογισμικού που παρακολουθεί αυτόματα σχεδόν όλες τις συμπεριφορές του σκουληκιού (κίνηση, σίτιση, ύπνος, ωοτοκία κ.λπ.) και τη δραστηριότητα κάθε νευρώνα στο κεφάλι του (τα κύτταρα είναι κατασκευασμένα ώστε να αναβοσβήνουν όταν συσσωρεύονται ιόντα ασβεστίου). Η αξιόπιστη διάκριση και παρακολούθηση των ξεχωριστών νευρώνων καθώς το σκουλήκι κουνιέται και λυγίζει απαιτούσε τη συγγραφή προσαρμοσμένου λογισμικού, χρησιμοποιώντας τα πιο πρόσφατα εργαλεία της μηχανικής μάθησης. Αποδείχθηκε ότι είναι ακριβές κατά 99,7% στη δειγματοληψία των δραστηριοτήτων των μεμονωμένων νευρώνων με σημαντικά βελτιωμένο σήμα-θόρυβο σε σύγκριση με προηγούμενα συστήματα, αναφέρουν οι επιστήμονες.

Η ομάδα χρησιμοποίησε το σύστημα για την ταυτόχρονη καταγραφή της συμπεριφοράς και των νευρωνικών δεδομένων από περισσότερα από 60 σκουλήκια καθώς περιφέρονταν στα δοχεία τους, κάνοντας ό,τι ήθελαν.

Η ανάλυση των δεδομένων αποκάλυψε τρεις νέες παρατηρήσεις σχετικά με τη νευρική δραστηριότητα στο σκουλήκι: Οι νευρώνες παρακολουθούν τη συμπεριφορά όχι μόνο της παρούσας στιγμής αλλά και του πρόσφατου παρελθόντος- συντονίζουν την κωδικοποίηση των συμπεριφορών τους, όπως η κίνηση, με βάση μια εκπληκτική ποικιλία παραγόντων- και πολλοί νευρώνες κωδικοποιούν ταυτόχρονα πολλαπλές συμπεριφορές.

Για παράδειγμα, ενώ η συμπεριφορά του να κουνιέται γύρω από το μικρό εργαστηριακό του δοχείο μπορεί να φαίνεται σαν μια πολύ απλή πράξη, οι νευρώνες αναπαριστούν παράγοντες όπως η ταχύτητα, η οδήγηση και το αν το σκουλήκι τρώει ή όχι. Σε ορισμένες περιπτώσεις αντιπροσώπευαν την κίνηση του ζώου που εκτεινόταν στο παρελθόν κατά περίπου ένα λεπτό. Κωδικοποιώντας την πρόσφατη, και όχι μόνο την τρέχουσα, κίνηση, αυτοί οι νευρώνες θα μπορούσαν να βοηθήσουν το σκουλήκι να υπολογίσει πώς οι προηγούμενες ενέργειές του επηρέασαν το τρέχον αποτέλεσμά του. Πολλοί νευρώνες συνδύαζαν επίσης πληροφορίες συμπεριφοράς για την εκτέλεση πιο σύνθετων ελιγμών. Όπως ένας άνθρωπος που οδηγεί πρέπει να θυμάται να κατευθύνει το αυτοκίνητό του προς την αντίθετη κατεύθυνση όταν πηγαίνει με την όπισθεν σε σχέση με το να κινείται προς τα εμπρός, έτσι και ορισμένοι νευρώνες στον εγκέφαλο του σκουληκιού ενσωμάτωσαν την κατεύθυνση της κίνησης του ζώου και την κατεύθυνση του τιμονιού.

Αναλύοντας προσεκτικά αυτού του είδους τα μοτίβα του τρόπου συσχέτισης της νευρικής δραστηριότητας με τις συμπεριφορές, οι επιστήμονες ανέπτυξαν το μοντέλο της πιθανολογικής νευρικής κωδικοποίησης του C. elegans. Το μοντέλο, που περικλείεται σε μία μόνο εξίσωση, λαμβάνει υπόψη του τον τρόπο με τον οποίο κάθε νευρώνας αντιπροσωπεύει διάφορους παράγοντες για να προβλέψει με ακρίβεια εάν και πώς η νευρωνική δραστηριότητα αντανακλά τη συμπεριφορά. Σχεδόν το 60% των νευρώνων στο κεφάλι του σκουληκιού όντως αντιπροσώπευαν τουλάχιστον μία συμπεριφορά.

Κατά την προσαρμογή του μοντέλου, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μια προσέγγιση πιθανολογικής μοντελοποίησης που τους επέτρεψε να κατανοήσουν πόσο σίγουροι ήταν για κάθε παράμετρο του μοντέλου που ταιριάζει, μια προσέγγιση που πρωτοστάτησε ο συν-συγγραφέας Vikash Mansinghka, κύριος ερευνητής που ηγείται του Probabilistic Computing Project του MIT.

Δημιουργία ενός άτλαντα

Για τη δημιουργία ενός μοντέλου που θα μπορούσε να ποσοτικοποιήσει και να προβλέψει τον τρόπο με τον οποίο κάθε εγκεφαλικό κύτταρο θα αντιπροσώπευε τη συμπεριφορά, η ομάδα συγκέντρωσε αρχικά δεδομένα από νευρώνες χωρίς να παρακολουθεί τις συγκεκριμένες ταυτότητες των κυττάρων. Αλλά ένας βασικός στόχος της μελέτης των σκουληκιών είναι να κατανοήσουμε πώς κάθε κύτταρο και κύκλωμα συμβάλλει στη συμπεριφορά. Έτσι, για να εφαρμοστεί η ικανότητα του μοντέλου σε κάθε έναν από τους συγκεκριμένους νευρώνες του σκουληκιού, οι οποίοι έχουν όλοι χαρτογραφηθεί προηγουμένως, το επόμενο βήμα της ομάδας ήταν να συσχετίσει τη νευρική δραστηριότητα και τη συμπεριφορά για κάθε κύτταρο στο χάρτη. Για να γίνει αυτό χρειάστηκε να επισημανθεί κάθε νευρώνας με ένα μοναδικό χρώμα, ώστε η δραστηριότητά του να μπορεί να συσχετιστεί με την ταυτότητά του. Η ομάδα το έκανε αυτό σε δεκάδες σκουλίκια που κινούνταν ελεύθερα, γεγονός που τους παρείχε πληροφορίες για το πώς σχεδόν όλοι οι καθορισμένοι νευρώνες στο κεφάλι του σκουληκιού σχετίζονταν με τη συμπεριφορά του εκάστοτε ζώου.

Ο άτλας που προέκυψε από αυτή την εργασία αποκάλυψε πολλές γνώσεις, χαρτογραφώντας πληρέστερα τα νευρωνικά κυκλώματα που ελέγχουν κάθε συμπεριφορά του ζώου. Αυτά τα νέα ευρήματα θα επιτρέψουν μια πιο ολιστική κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ελέγχονται αυτές οι συμπεριφορές, λέει ο Flavell.

"Μας επέτρεψε να ολοκληρώσουμε τα κυκλώματα", λέει. "Η ελπίδα μας είναι ότι καθώς οι συνάδελφοί μας μελετούν πτυχές της λειτουργίας των νευρικών κυκλωμάτων, θα μπορούν να ανατρέχουν σε αυτόν τον άτλαντα για να αποκτήσουν μια αρκετά πλήρη εικόνα των βασικών νευρώνων που εμπλέκονται".

Χτισμένος για ευελιξία

Ένα άλλο σημαντικό αποτέλεσμα της εργασίας της ομάδας ήταν η διαπίστωση ότι ενώ οι περισσότεροι νευρώνες υπάκουαν πάντα στις προβλέψεις του μοντέλου, ένα μικρότερο σύνολο νευρώνων στον εγκέφαλο του σκουληκιού - περίπου το 30 τοις εκατό εκείνων που κωδικοποιούν τη συμπεριφορά - ήταν σε θέση να αναδιαμορφώνουν με ευελιξία την κωδικοποίηση της συμπεριφοράς τους, αναλαμβάνοντας ουσιαστικά νέες εργασίες. Οι νευρώνες αυτής της ομάδας ήταν αξιόπιστα παρόμοιοι σε όλα τα ζώα και ήταν καλά συνδεδεμένοι μεταξύ τους στο διάγραμμα συναπτικής καλωδίωσης του σκουληκιού.

Θεωρητικά, αυτά τα συμβάντα επαναπροσδιορισμού θα μπορούσαν να συμβούν για οποιονδήποτε αριθμό λόγων, οπότε η ομάδα διεξήγαγε περαιτέρω πειράματα για να δει αν μπορούσαν να προκαλέσουν την επαναπροσδιορισμό των νευρώνων. Καθώς τα σκουλήκια σπαρταρούσαν γύρω από τα δοχεία τους, οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα γρήγορο χτύπημα λέιζερ που θέρμαινε το άγαρ γύρω από το κεφάλι του σκουληκιού. Η θερμότητα ήταν ακίνδυνη αλλά αρκετή για να ενοχλήσει τα σκουλήκια για λίγο, προκαλώντας μια αλλαγή στην κατάσταση συμπεριφοράς του ζώου που διήρκεσε για λεπτά. Από αυτές τις καταγραφές η ομάδα μπόρεσε να δει ότι πολλοί νευρώνες άλλαζαν την κωδικοποίηση της συμπεριφοράς τους ακριβώς όταν τα ζώα άλλαζαν κατάσταση συμπεριφοράς.

"Οι πληροφορίες συμπεριφοράς εκφράζονται πλούσια σε ολόκληρο τον εγκέφαλο σε πολλές διαφορετικές μορφές - με ξεχωριστούς συντονισμούς, χρονικές κλίμακες και επίπεδα ευελιξίας - που αντιστοιχούν στις καθορισμένες κατηγορίες νευρώνων του συνδετικού σώματος του C. elegans", έγραψαν οι συγγραφείς.

Εκτός από τους Atanas, Kim, Mansinghka και Flavell, οι άλλοι συγγραφείς της δημοσίευσης είναι οι Ziyu Wang, Eric Bueno, McCoy Becker, Di Kang, Jungyeon Park, Talya Kramer, Flossie Wan, Saba Baskoylu, Ugur Dag, Ελπινίκη Καλογεροπούλου, Matthew Gomes, Cassi Estrem και Netta Cohen.

Οι πηγές χρηματοδότησης της έρευνας περιλαμβάνουν τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, το Ίδρυμα McKnight, το Ίδρυμα Alfred P. Sloan, το Ινστιτούτο Picower για τη Μάθηση και τη Μνήμη και το Ίδρυμα JPB.

David Orenstein | The Picower Institute for Learning and Memory