Od prvih nedelja života, bezbrojne veze se stvaraju između neurona kako bi se obezbedilo širenje nervnih signala. Ove veze postepeno oblikuju konačnu arhitekturu mozga, poznatu kao konektom. Naša sposobnost da obavljamo složene kognitivne zadatke, kao što su prostorna orijentacija ili rešavanje problema, zavisi od njegove strukture. Ali kako se pojavljuje tokom razvoja?
Na Pariskom institutu za mozak, Vito Dičio i Fabricio de Viko Falani predstavili su kompjuterski model koji replicira putanju moždanog ožičenja u crvu C. elegans. Na kraju se nadaju da će primeniti ovaj novi model, opisan u Physical Review Letters, na druge vrste, uključujući ljude.
U organizmima sa nervnim sistemom, odnosno kod većine životinjskih vrsta, konektom – mreža koju formiraju sve veze koje povezuju neurone jedni sa drugima – je ključni element za pravilno funkcionisanje mozga. Neophodan je za integraciju informacija iz okruženja i za nastanak primarnih kognitivnih funkcija, kao što su pažnja ili pamćenje. Kada je oštećen usled povrede — posle moždanog udara, na primer — funkcija mozga je takođe pogođena.
„Mapa konektoma varira među vrstama, koje imaju više ili manje neurona, i pojedincima. Takođe može da se reorganizuje tokom života da bi nadoknadila određene deficite: ovaj kapacitet se naziva plastičnost mozga“, Fabricio de Viko Falani (Inrija), vodeći u NERV-u tim na Pariskom institutu za mozak, objašnjava.
Međutim, formiranje neuronskih veza tokom razvoja mozga nije sasvim slučajno. Sledi genetski kodirana pravila i vođena je selekcijom: Telo zadržava veze koje omogućavaju mozgu da pravilno funkcioniše. Tim pokušava da matematički opiše ova organizaciona pravila – proizvod miliona godina evolucije – i simulira ih u modelu razvoja mozga.
„Koristimo nekoliko modelnih organizama za proučavanje konektoma, kao što su nematoda i drozofila. Ove vrste su izuzetno korisne: imaju mali broj neurona — između desetina i stotina hiljada — što nam omogućava da nacrtamo tačnu mapu njihovih neuronske veze u različitim fazama razvoja“, Vito Dičio, bivši dr. student u timu i prvi autor rada, kaže. „U ovoj studiji koristili smo konektom crva C. elegans, čiji mozak ima oko 180 neurona.
Da bi simulirali razvoj mozga crva, istraživači su koristili model zasnovan na dinamici „istraživanje-eksploatacija“, to jest, kombinaciju nasumičnog istraživanja novih neuronskih veza i eksploatacije najizdrživijih veza za podršku kognitivnim funkcijama. Nakon što su definisali krajnje stanje odraslog konektoma u crvu – to jest, idealne neuronske karakteristike životinje koja je sposobna da se kreće, hrani i razmnožava – pustili su svom algoritmu da „traži“ putanju razvoja koja bi vodila, korak po korak, do ovaj rezultat.
„U svakoj simulaciji, putanja razvoja naše virtuelne nematode bila je malo drugačija“, objašnjava Vito Dičio. „Međutim, u proseku, formiranje neuronske mreže je reprodukovalo iste međufaze koje su biološki primećene u razvoju mozga crva. Za nas je ovo još jedan dokaz da ožičenje mozga prati vrlo jednostavna matematička pravila, koja su ipak u osnovi izuzetna složenost nervnog sistema“.
Ali da li su ova jednostavna pravila univerzalna? „Da bismo saznali, moraćemo da testiramo ovaj model na konektomu drugih vrsta, kao što su muve, miševi i zebrice, i na kraju na ljudima“, dodaje istraživač.
Zaista, ako ikada budemo imali potpunu bazu podataka o ljudskom konektomu, i ako ovaj model izdrži test uzastopnih testova na različitim vrstama, to bi moglo pomoći istraživačima da definišu optimalnu putanju razvoja za zdrav mozak. „Još smo daleko! Međutim, jednog dana ćemo moći da odredimo tačan trenutak kada razvoj skrene sa ovog idealnog puta, što dovodi do poremećaja u korenu neurodegenerativnih bolesti“, kaže Fabricio De Viko Falani. „Ovo bi nam moglo pomoći da intervenišemo kod pacijenata u pravo vreme sa neuroprotektivnim lekovima.“
U bliskoj budućnosti, model bi se takođe mogao primeniti na plastičnost mozga kako bi se predvideo oporavak pacijenata od moždanog udara i vodio ga kroz interventne tehnike, kao što je duboka stimulacija mozga.
„Pored ovih važnih primena, nadamo se da ćemo doprineti boljem razumevanju sazrevanja mozga. To je proces čija se složenost činila nesmanjivom pre samo deset godina, ali čije principe sve više shvatamo – ne samo zahvaljujući doprinosu disciplina koje su se dugo činile irelevantnim na opisivanje organizacije živih bića, kao što je matematika“, zaključuje istraživač.
