Naučnici sa Univerziteta u Tokiju povezali su male laboratorijski uzgojene strukture ljudskog nervnog tkiva u mrežu i pokazali da one mogu da nauče da razlikuju signale koji dolaze iz različitih izvora. Istraživanje pruža novi uvid u to kako organizacija nervnih ćelija utiče na razvoj osnovnih sposobnosti obrade informacija.
Ljudski mozak predstavlja izuzetno složen sistem za obradu informacija, zbog čega su mogućnosti njegovog direktnog proučavanja ograničene strogim etičkim pravilima. Naučnici, međutim, mogu da uzgajaju male trodimenzionalne strukture ljudskog nervnog tkiva, poznate kao moždani organoidi, piše Science Alert.
Oni nisu umanjene verzije celog ljudskog mozga, ali imaju deo njegove ćelijske strukture i električne aktivnosti. Zbog toga omogućavaju istraživanje procesa koji se ne mogu neposredno ispitivati u mozgu živog čoveka.
Tim koji predvodi neuronaučnik Jošihiro Ikeuči sa Univerziteta u Tokiju uzgojio je nekoliko takvih organoida, povezao ih u mrežu i pratio kako reaguju na ponavljane električne signale.
Rezultati su pokazali da su povezane strukture sa vremenom postale sposobnije da razlikuju signale u zavisnosti od toga odakle potiču.
Kako su naučnici povezali mini-mozgove
Organoidi su uzgojeni od indukovanih pluripotentnih matičnih ćelija čoveka, odnosno zrelih ćelija koje su reprogramirane tako da ponovo mogu da se razvijaju u različite tipove ćelija.
Istraživači su ih usmerili ka razvoju nervnog tkiva, a zatim postavili na posebne čipove prekrivene sitnim elektrodama. One su omogućavale da se organoidi stimulišu električnim impulsima, ali i da se beleži njihova nervna aktivnost.
Na pojedinim čipovima nalazio se jedan organoid, na drugima dva, a na trećima tri. Naučnici su ih potom ostavili duže od dve nedelje kako bi nervne ćelije razvile aksone – dugačke produžetke kojima prenose signale – i uspostavile međusobne veze.
Snimci električne aktivnosti nakon tog perioda pokazali su da su organoidi postavljeni na istom čipu počeli da ispoljavaju sinhronizovanu aktivnost. To je ukazivalo na formiranje funkcionalnih nervnih mreža.
Ponavljani impulsi promenili su način reagovanja
Naredne dve nedelje istraživači su svakodnevno stimulisali mreže na dva različita mesta, šaljući po 100 električnih impulsa sa svake lokacije. Istovremeno su beležili aktivnost na drugim delovima čipa.
Kod čipova sa jednim organoidom stimulisane su dve lokacije unutar iste strukture. Kod mreža sa dva organoida oba niza impulsa usmeravana su ka jednom, dok je aktivnost beležena na drugom. U mrežama sa tri organoida, dva su primala impulse, a aktivnost trećeg, nestimulisanog organoida korišćena je za analizu.
Cilj je bio da se utvrdi da li ponavljana stimulacija može da promeni način na koji nervno tkivo reaguje na signale iz različitih izvora.
Istraživači su za analizu koristili algoritme mašinskog učenja, kojima su zadali da na osnovu obrazaca nervne aktivnosti prepoznaju koja od dve lokacije je bila stimulisana.
Na početku eksperimenta odabrana su mesta čija je stimulacija izazivala veoma slične reakcije. Algoritmi su izvor signala uspevali da prepoznaju u približno polovini slučajeva, što je odgovaralo rezultatu koji bi se dobio nasumičnim pogađanjem.
Posle dve nedelje ponavljanja impulsa, kod mreža sa jednim ili dva organoida nije zabeleženo značajnije poboljšanje. Njihove reakcije na dva signala i dalje su bile teško razlučive.
Kod mreža sa tri organoida, međutim, odgovori su postali sve različitiji u zavisnosti od izvora signala. Reakcije su, takođe, postale brže, stabilnije i prostorno izraženije.
Slična promena nije zabeležena kod mreža sa tri organoida koje nisu bile izložene ponavljanoj stimulaciji. To ukazuje da poboljšanje nije bilo samo posledica dodatnog vremena provedenog u laboratorijskim uslovima, već da su električni impulsi verovatno podstakli reorganizaciju nervnih veza.
Osnovni oblik učenja, a ne veštačka svest
Istraživači naglašavaju da rezultati ne znače da su organoidi razvili svest ili sposobnosti uporedive sa ljudskim mozgom. Reč je o veoma osnovnom obliku učenja, daleko od složene obrade informacija koju obavlja potpuno razvijen ljudski mozak.
Ipak, eksperiment ukazuje na to da organizovanje nervnog tkiva u povezane module sa različitim ulogama može biti važno za razvoj sposobnosti razlikovanja informacija koje dolaze iz različitih izvora.
Ljudski mozak nije jedinstvena, homogena mreža nervnih ćelija. Organizovan je u različite oblasti, od kojih svaka ima lokalne mreže, dok su one međusobno povezane vezama većeg dometa. Takva modularna struktura omogućava različitim delovima mozga da obavljaju posebne funkcije, a da istovremeno deluju kao deo jedinstvenog sistema.
Prema istraživačima, još nije u potpunosti jasno koji su minimalni uslovi potrebni da bi nervno tkivo razvilo funkcionalne neuronske krugove.
– Ovi rezultati pokazuju da ponavljani ulazni signali u organizovanoj modularnoj mreži mogu da preoblikuju organoide uzgojene pod istim uslovima u funkcionalno različite module – navodi se u radu.
Naučnici smatraju da bi naredni korak trebalo da bude testiranje organoida složenijim signalima i zahtevnijim zadacima. Takođe, planiraju da istraže da li određene nervne ćelije imaju ulogu čvorišta koja olakšavaju povezivanje unutar organoida i između njih.
Kombinovanje takvih istraživanja sa biohemijskim i molekularnim analizama moglo bi da pomogne u razumevanju mehanizama koji menjaju sinaptičku plastičnost i povezanost nervnih ćelija.
BONUS VIDEO:
Komentari (0)