Mozak sisara je mreža gusto međusobno povezanih neurona, ali jedna od misterija u neuronauci je kako su alati koji obuhvataju relativno malo komponenti moždane aktivnosti omogućili naučnicima da predvide ponašanje kod miševa. Teško je poverovati da je veliki deo složenosti mozga nevažna pozadinska buka.
„Pitali smo se zašto bi se razvila tako suvišna i metabolički skupa šema“, kaže Rokfelerov Alipaša Vaziri.
Sada, nova studija u Neuronu — koja predstavlja neviđeno istovremeno snimanje aktivnosti milion neurona kod miševa — nudi iznenađujući odgovor na ovo fundamentalno pitanje: tehnološka ograničenja su nas zavela, a u mozgu je mnogo više nego što se mislilo.
„Prethodne pretpostavke o pravoj dimenzionalnosti dinamike mozga mogle su biti posledica nedostatka sposobnosti snimanja sa dovoljno velikog broja neurona“, kaže Vaziri.
Koristeći prilagođenu tehniku razvijenu u laboratoriji Vaziri, istraživači su otkrili da je više od 90 procenata dimenzija koje su primetili u neuronskoj aktivnosti (nezavisne komponente koje su potrebne da bi se opisali posmatrana neuronska dinamika koja sadrži signale koji se razlikuju od buke) bilo nije povezan sa bilo kakvim spontanim pokretima ili senzornim inputima kod proučavanih miševa.
Hiljade ovih dimenzija, koje sadrže više od polovine kumulativne neuronske aktivnosti miševa, bile su raspoređene po mozgu u prostoru i vremenu, bez formiranja posebnih klastera u bilo kom regionu i u vremenskom rasponu od minuta do manje od sekundi.
Miš je očigledno koristio ovaj niz prodorne, kontinuirane aktivnosti u neku svrhu. Ali za šta? „Još uvek ne znamo, ali to je definitivno signal koji se razlikuje od buke“, kaže Vaziri. „To bi moglo da ponudi prozor u razna složena unutrašnja stanja ili neuroračunanje.
Vazirijeva laboratorija se fokusira na razvoj optičkih tehnologija za unapređenje neuronauke i omogućavanje posmatranja istovremene aktivnosti mnogih neurona raspoređenih po mozgu. Laboratorija je 2021. razvila mikroskopiju svetlosnih kuglica, tehniku snimanja sa dva fotona koja je jedinstveno omogućila 100 puta povećanje broja neurona koji se mogu istovremeno snimiti.
Stavljajući tehnologiju na testiranje, istraživači su po prvi put snimili aktivnost više od milion neurona u celom korteksu mišjeg mozga, dok su životinje posmatrane sa više kamera iz različitih uglova dok su bile uključene u spontano i neupućeno ponašanje, kao što je trčanje na traci za trčanje ili doterivanje.
Pošto je demonstrirala efikasnost alata, laboratorija se zainteresovala da ga koristi za rešavanje osnovnih pitanja u neurobiologiji. „Imali smo alat koji nam je mogao omogućiti da dođemo do otkrića koja druge tehnologije nisu mogle“, kaže Vaziri. „Zato smo pokušali da postavimo pitanja na koja samo takav alat može da odgovori. Naime: koliko još informacija izvlačimo dok nastavljamo da snimamo iz sve više neurona i šta te informacije predstavljaju?“
Da bi istražili, istraživači su koristili LBM u kombinaciji sa naprednom analizom podataka, računarskim modeliranjem i tehnikama mašinskog učenja za proučavanje neuronske aktivnosti miševa dok su se spontano kretali i reagovali na svoje okruženje.
Poznato je da je neuronska aktivnost povezana sa pokretima životinja pojednostavljena u niskodimenzionalni podprostor, omogućavajući prethodnim tehnikama, koje su mogle da snime manje neurona, da identifikuju ove veze. „Međutim, samo zahvaljujući sposobnosti LBM-a mogli smo da otkrijemo da više od 90 odsto preostalih dimenzija sadrži pouzdane signale koji se razlikuju od buke, nisu potrebni za ponašanje i nisu objašnjeni stimulansima iz okoline“, kaže Vaziri.
Neočekivano, ovi neuroni su takođe pucali svuda. „Šta oni rade? Ne znamo“, kaže Vaziri. „Oni mogu biti u osnovi mreže povezanih neuronskih fluktuacija na nivou mozga, možda povezanih sa nekom vrstom dinamike unutrašnjeg stanja kao što su glad ili motivacija.“
Kako se ovo može primeniti na ljudski mozak još uvek nije jasno („ljudski mozak je okean u poređenju sa ribnjakom mišjeg mozga“, kaže Vaziri), ali nalazi snažno sugerišu da tek počinjemo da shvatamo pravu složenost mozak sisara.
LBM je jedan od ključnih instrumenata koji će naći dom u Rockefeller Brain Opservatoriju, novoj inicijativi koju je predvodio Vaziri da bi pionirski, komercijalno nedostupni instrumenti bili dostupni neuronaučnicima „koji mogu da rade stvari koje su inače nemoguće“, kaže Vaziri.
Objekat je sličan astronomskoj opservatoriji, gde će gostujući naučnici moći da sprovode istraživanja na moćnim instrumentima. „Ideja je da ljude podržava osoblje dok sprovode istraživanja koristeći mikroskope u centru“, kaže on. „To je nešto što želimo da otvorimo zajednici unutar Rokfelera, ali i neuronaučnicima iz celog sveta.
Vaziri i njegov tim takođe pomažu istraživačima na nekoliko univerziteta, uključujući Univerzitet Stanford i UCL-London, da repliciraju LBM tehnologiju u sopstvenim neuronaučnim laboratorijama. Podaci koje su prikupili iz trenutne studije takođe su dostupni za analizu od strane drugih istraživača.
Takođe se nadaju da će povećati opseg primenljivosti LBM-a. „Na primer, želeli bismo da poželimo dobrodošlicu istraživačkim grupama koje rade sa različitim modelskim sistemima osim miševa – insekti, neljudi primati i tako dalje – tako da moramo da imamo verzije LBM-a koje su svestranije, robusnije i prilagođenije korisniku“, kaže Vaziri.
