Radeći sa jednonedeljnom starom larvom zebrice, istraživači iz Veill Cornell Medicine i kolege su dekodirali kako veze koje formira mreža neurona u moždanom stablu vode pogled riba.
Studija, objavljena 22. novembra u Nature Neuroscience, otkrila je da pojednostavljeno veštačko kolo, zasnovano na arhitekturi ovog neuronskog sistema, može predvideti aktivnost u mreži. Pored rasvetljavanja načina na koji mozak rukuje kratkoročnim pamćenjem, nalazi bi mogli dovesti do novih pristupa za lečenje poremećaja pokreta očiju.
Organizmi neprestano preuzimaju niz senzornih informacija o okruženju koje se menjaju iz jednog trenutka u drugi. Da bi tačno procenio situaciju, mozak mora da zadrži ove informativne grumenčiće dovoljno dugo da bi ih koristio za formiranje kompletne slike – na primer, povezujući zajedno reči u rečenici ili dozvoljavajući životinji da drži oči usmerene na oblast od interesa.
„Pokušaj da se razume kako se ova ponašanja kratkoročnog pamćenja generišu na nivou neuronskog mehanizma je osnovni cilj projekta“, rekao je stariji autor dr Emre Aksaj, vanredni profesor fiziologije i biofizike na Veill Cornell Medicine, koji je vodio studije, zajedno sa dr Markom Goldmanom sa Univerziteta Kalifornije u Dejvisu i dr Sebastijanom Seungom sa Univerziteta Prinston.
Da bi dekodirali ponašanje takvih neuronskih kola, neuronaučnici koriste alate dinamičkih sistema, koji uključuju izgradnju matematičkih modela koji opisuju kako se stanje sistema menja tokom vremena, pri čemu trenutno stanje određuje njegova buduća stanja prema skupu pravila.
Kolo kratkoročne memorije, na primer, ostaće u jednom preferiranom stanju sve dok se ne pojavi novi stimulans, uzrokujući da se smesti u novo stanje aktivnosti. U vizuelno-motornom sistemu, svako od ovih stanja može da uskladišti sećanje na to gde životinja treba da gleda.
Ali koji parametri pomažu da se postavi takav tip dinamičkog sistema? Jedna od mogućnosti je anatomija kola: veze koje se formiraju između svakog neurona i koliko veza prave.
Druga verovatna mogućnost je fiziološka snaga tih veza, koja je uspostavljena bezbroj faktora poput količine neurotransmitera koji se oslobađa, vrste sinaptičkih receptora i koncentracije tih receptora.
Da bi razumeli doprinose anatomije kola, dr Aksaj i njegovi saradnici su pogledali larve zebrice. Do petog dana starosti, ove ribice plivaju okolo i love plen, što je veština koja uključuje stalnu vizuelnu pažnju. Za istraživački tim je važno da je region mozga koji kontroliše kretanje očiju strukturno sličan kod riba i sisara. Ali sistem zebrice sadrži samo 500 neurona.
„Dakle, možemo analizirati čitavo kolo — mikroskopski i funkcionalno“, rekao je dr Aksaj. „To je veoma teško uraditi kod drugih kičmenjaka.“
Koristeći niz naprednih tehnika snimanja, dr Aksaj i njegove kolege su identifikovali neurone koji učestvuju u kontroli pogleda životinja, a zatim utvrdili kako su ovi neuroni povezani zajedno. Otkrili su da se sistem sastoji od dve istaknute povratne petlje, od kojih svaka sadrži tri klastera čvrsto povezanih ćelija.
Istraživači su koristili ovu karakterističnu arhitekturu za izgradnju računarskog modela. Otkrili su da njihova veštačka mreža može precizno predvideti obrasce aktivnosti kruga zebrice, što su potvrdili upoređujući svoje rezultate sa fiziološkim podacima.
„Smatram sebe pre svega fiziologom“, rekao je dr Aksaj. „Dakle, bio sam iznenađen koliko smo ponašanja kola mogli da predvidimo samo na osnovu anatomske arhitekture.“
Zatim će istraživači istražiti kako ćelije u svakom klasteru doprinose ponašanju kola – i da li neuroni u različitim klasterima imaju različite genetske potpise. Takve informacije mogu omogućiti kliničarima da terapeutski ciljaju na one ćelije koje mogu da kvare u poremećajima pokreta očiju.
Nalazi takođe pružaju nacrt za otkrivanje složenijih računarskih sistema u mozgu koji se oslanjaju na kratkoročno pamćenje, kao što su oni koji su uključeni u dešifrovanje vizuelnih scena ili razumevanje govora.
