Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι νευροεπιστήμονες μελετούσαν τον ανθρώπινο εγκέφαλο με τον τρόπο που οι πρώτοι χαρτογράφοι χαρτογράφησαν άγνωστες περιοχές: συνθέτοντας ένα τεράστιο τοπίο από διάσπαρτες παρατηρήσεις.
Ακόμη και σήμερα, οι παθολόγοι που διαγιγνώσκουν διαταραχές όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ συνήθως επιθεωρούν μια χούφτα δειγμάτων ιστού από ένα όργανο που περιέχει περίπου 86 δισεκατομμύρια νευρώνες. Μεγάλο μέρος του τοπίου παραμένει αόρατο.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ερευνητές στο Sudha Gopalakrishnan Brain Center (SGBC) στο Ινδικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας, Madras (IIT-M) πιστεύουν ότι έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την κάλυψη ενός από τα μεγαλύτερα κενά της νευροεπιστήμης.
Έχουν δημιουργήσει αυτό που περιγράφουν ως τον πιο λεπτομερή τρισδιάστατο άτλαντα του ανθρώπινου εγκεφαλικού στελέχους με κυτταρική ανάλυση – έναν ψηφιακό χάρτη που επιτρέπει στους ερευνητές να ταξιδεύουν απρόσκοπτα από σαρώσεις μαγνητικής τομογραφίας ολόκληρου του εγκεφάλου σε μεμονωμένα νευρικά κύτταρα.
Ονομάζεται Anchor (Atlas of Neurochemical Characterization of the Human Brainstem with 3D Reconstruction), συνδυάζει περισσότερα από 500 τμήματα ιστού από εμβρυϊκό, παιδικό και ενήλικο εγκέφαλο.
Κατασκευασμένο από εικόνες μικροσκοπίου υψηλής ανάλυσης αντί από πιο ακριβές μοριακές τεχνικές, δημιουργεί έναν λεπτομερή τρισδιάστατο χάρτη του εγκεφαλικού στελέχους, εντοπίζοντας περισσότερα από 200 σμήνη εγκεφαλικών κυττάρων και νευρικών οδών.
Οκτώ χημικοί δείκτες βοηθούν στη διάκριση διαφορετικών τύπων κυττάρων, παράγοντας μία από τις πιο καθαρές εικόνες μέχρι τώρα αυτού του ζωτικού αλλά ελάχιστα κατανοητού τμήματος του εγκεφάλου.
Το εγκεφαλικό στέλεχος καταλαμβάνει μόνο μέρος του εγκεφάλου, αλλά κρατά τους ανθρώπους ζωντανούς. Συνδέει τον εγκέφαλο με το νωτιαίο μυελό και ελέγχει την αναπνοή, τον καρδιακό παλμό, τον ύπνο, την εγρήγορση και την κίνηση.
Η ζημιά σε μικρές ομάδες κυττάρων μέσα σε αυτό θα μπορούσε να αποδειχθεί καταστροφική, αλλά η πυκνά γεμάτη αρχιτεκτονική της περιοχής έχει ματαιώσει εδώ και καιρό τις προσπάθειες λεπτομερούς χαρτογράφησης της.
Τμήματα άτλαντα εγκεφαλικού στελέχους – παρόλο που είναι μόνο μέρος του εγκεφάλου, το εγκεφαλικό στέλεχος μας κρατά ζωντανούς (SGBC)
Η σημασία του Anchor δεν έγκειται μόνο στη δημιουργία ενός άλλου ανατομικού χάρτη, αλλά στη σύνδεση δύο κόσμων που έχουν παραμείνει σε μεγάλο βαθμό χωριστοί: ιατρική απεικόνιση, που δείχνει τον εγκέφαλο ως σύνολο και κυτταρική παθολογία, που τον αποκαλύπτει ένα κύτταρο κάθε φορά.
«Βλέπουμε ένα οραματικό πρόγραμμα που βάζει την Ινδία στο διεθνές τραπέζι», λέει ο Shubha Tole, Ινδός νευροεπιστήμονας στο Tata Institute of Fundamental Research, περιγράφοντας το έργο ως μια «άνευ προηγουμένου ενοποίηση» της μηχανικής, της νευροεπιστήμης και της ιατρικής.
Οι γιατροί συνήθως ξεκινούν εξετάζοντας ολόκληρο τον εγκέφαλο κατά τη νεκροψία ή τον ιστό που αφαιρείται κατά τη διάρκεια της νευροχειρουργικής. Ένας ενήλικος εγκέφαλος ζυγίζει περίπου 1,2-1,5 κιλά και οι πτυχές και οι κύριες δομές του μπορούν να αποκαλύψουν σημαντικές ενδείξεις πριν ξεκινήσει η μικροσκοπική εξέταση.
«Ως νευροπαθολόγος, ξεκινώ εξετάζοντας έναν ολόκληρο εγκέφαλο με γυμνό μάτι πριν κοιτάξω μικρά κομμάτια κάτω από το μικροσκόπιο», λέει η Rebecca Folkerth, η οποία είναι συνδεδεμένη με την Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και το Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης και έχει συνεργαστεί με την ομάδα SGBC.
«Για τη νόσο του Αλτσχάιμερ, μπορούμε να εξετάσουμε μόνο 15 έως 20 τομές — μόνο ένα κλάσμα του ενός τοις εκατό ολόκληρου του οργάνου».
Είναι πρακτική από την πρωτοποριακή εργασία του Ισπανού νευροεπιστήμονα Santiago Ramón y Cajal πριν από περισσότερο από έναν αιώνα. Οι σύγχρονες μαγνητικές τομογραφίες αποκαλύπτουν ολόκληρο τον εγκέφαλο, αλλά δεν διαθέτουν κυτταρικές λεπτομέρειες. Τα μικροσκόπια αποκαλύπτουν μεμονωμένα κύτταρα, αλλά μόνο σε μεμονωμένες φέτες.
– Αυτό που δημιούργησε το ινδικό κέντρο είναι ουσιαστικά αυτό που ονειρευόμουν νωρίς στην καριέρα μου – να κάνω σαρώσεις εγκεφάλου που να ταιριάζουν με τη μικροσκοπική ανατομία του εγκεφάλου, λέει στο BBC ο Folkerth, ο οποίος έχει εξετάσει χιλιάδες εγκεφάλους για περισσότερες από τρεις δεκαετίες.
Μια σάρωση εγκεφάλου που δείχνει πρώιμη νόσο του Αλτσχάιμερ. Ο άτλαντας θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα τη νόσο του Αλτσχάιμερ, τη νόσο του Πάρκινσον και το εγκεφαλικό (Getty Images)
Ο Anchor προσπαθεί να κλείσει το χάσμα.
Οι χρήστες μπορούν να μεγεθύνουν από ολόκληρο το εγκεφαλικό στέλεχος που φαίνεται στην μαγνητική τομογραφία σε μεμονωμένους νευρώνες, διατηρώντας παράλληλα τις ακριβείς χωρικές τους σχέσεις. Οι ερευνητές έκαναν τον άτλαντα δωρεάν διαθέσιμο στο διαδίκτυο με την ελπίδα ότι θα γίνει εργαλείο αναφοράς για νευροεπιστήμονες, νευρολόγους και νευροχειρουργούς σε όλο τον κόσμο.
Οι εφαρμογές του μπορούν επίσης να επεκταθούν πολύ πέρα από την ανατομία.
Συγκρίνοντας χάρτες υγιούς εγκεφαλικού στελέχους με άρρωστο ιστό, οι ερευνητές μπορούν να κατανοήσουν καλύτερα διαταραχές που κυμαίνονται από τη νόσο του Πάρκινσον και το εγκεφαλικό έως τη νόσο του Αλτσχάιμερ και το σύνδρομο αιφνίδιου βρεφικού θανάτου (SIDS). Πιο ακριβείς χάρτες θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους νευροχειρουργούς να περιηγηθούν σε μια από τις πιο ευαίσθητες περιοχές του εγκεφάλου με μεγαλύτερη αυτοπεποίθηση.
Το Anker δεν είναι διαγνωστικό εργαλείο. Αντίθετα, η μεγαλύτερη αξία του βρίσκεται στις ερωτήσεις που μπορεί να σας βοηθήσει να απαντήσετε.
Η Partha Mitra, νευροεπιστήμονας στο διάσημο εργαστήριο Cold Spring Harbor Laboratory με έδρα τη Νέα Υόρκη, που έχει εργαστεί στο SGBC, λέει ότι οι λεπτομερείς άτλαντες εγκεφάλου όπως αυτός θα μπορούσαν να έχουν «μετασχηματιστικό αντίκτυπο» στη μελέτη της νευρολογικής νόσου αποκαλύπτοντας, κύτταρο σε κύτταρο, πώς διαφέρουν οι εγκέφαλοι που επηρεάζονται από καταστάσεις όπως το Αλτσχάιμερ ή ο υγιής αυτισμός.
Μπορεί επίσης να εξηγήσουν πώς οι λοιμώξεις, συμπεριλαμβανομένου του Covid-19, προκαλούν μακροχρόνιες νευρολογικές βλάβες, είπε ο Μίτρα στο BBC.
Χρησιμοποιώντας το εγκεφαλικό ως παράδειγμα, ο Folkerth λέει ότι ο άτλαντας έχει αποκαλύψει νέα χαρακτηριστικά που θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους γιατρούς να διατηρήσουν τον εγκεφαλικό ιστό που είναι κατεστραμμένος αλλά όχι ακόμη ανεπανόρθωτος, βελτιώνοντας ενδεχομένως τα αποτελέσματα των ασθενών. Άλλοι ερευνητές λένε ότι ο άτλαντας θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους νευροχειρουργούς να περιηγηθούν στο εγκεφαλικό στέλεχος με μεγαλύτερη ασφάλεια.
Μέρος της απήχησης αυτού του άτλαντα έγκειται στην απλότητά του. Χτισμένη από εικόνες υψηλής ανάλυσης λεπτών κομματιών μεταθανάτιου εγκεφαλικού ιστού, η προσέγγιση καθιστά προσιτή τη λεπτομερή χαρτογράφηση σε κυτταρικό επίπεδο.
Αυτό, λέει ο Mitra, κατέστησε δυνατή τη χαρτογράφηση του ανθρώπινου εγκεφαλικού στελέχους σε άνευ προηγουμένου κλίμακα.
Το επίτευγμα αντανακλά έναν ευρύτερο μετασχηματισμό στη νευροεπιστήμη, όπου η πρόοδος εξαρτάται ολοένα και περισσότερο τόσο από τη μηχανική και τους υπολογισμούς όσο και από τη βιολογία.
Περίπου 20 ερευνητές πέρασαν 18 μήνες στο SGBC για να αναλύσουν χειροκίνητα περισσότερες από 200 τομές εγκεφάλου, συνδυάζοντας μαγνητικές τομογραφίες, μικροσκοπική ανατομία και τρισδιάστατη ανακατασκευή σε έναν ενιαίο ψηφιακό άτλαντα. Το κέντρο συγκεντρώνει τώρα περισσότερους από 200 ερευνητές, μηχανικούς και τεχνικούς που συνεργάζονται με συνεργάτες σε όλο τον κόσμο.
Το αποτέλεσμα βοηθά στην αντιμετώπιση ενός εκπληκτικού κενού στη νευροεπιστήμη.
Ένα πρόγραμμα περιήγησης επιτρέπει την απρόσκοπτη πλοήγηση από σαρώσεις μαγνητικής τομογραφίας ολόκληρου του εγκεφάλου σε λειτουργίες κυτταρικού επιπέδου (SGBC)
Οι επιστήμονες έχουν χαρτογραφήσει τους εγκεφάλους πολλών ζωικών ειδών με αξιοσημείωτη λεπτομέρεια, αλλά ο ανθρώπινος εγκέφαλος παραμένει σχετικά υποχαρτογραφημένος επειδή οι λεπτομερείς μελέτες του ανθρώπινου εγκεφαλικού ιστού είναι σπάνιες, είπε στο BBC ο Mohanasankar Sivaprakasam, επικεφαλής του SGBC.
Αυτό δεν σημαίνει ότι οι ερευνητές δεν έχουν εγκεφαλικό άτλαντα. «Διαφορετικοί άτλαντες κάνουν διαφορετικά πράγματα», λέει ο Μίτρα.
Οι άτλαντες που βασίζονται σε μαγνητική τομογραφία καταγράφουν την ευρεία δομή του εγκεφάλου, αλλά όχι μεμονωμένα κύτταρα. Οι ιστολογικοί άτλαντες χαρτογραφούν την αρχιτεκτονική σε κυτταρική ανάλυση χρησιμοποιώντας μικροσκοπικές εικόνες τομών ιστού. Οι νεότερες μοριακές προσεγγίσεις προχωρούν ένα βήμα παραπέρα, προσδιορίζοντας την ακριβή ταυτότητα κάθε κυττάρου.
Αλλά οι επιστήμονες γνωρίζουν ακόμη πολύ λίγα για το πώς οι 20.000 περίπου πρωτεΐνες του εγκεφάλου κατανέμονται σε διαφορετικές περιοχές και τύπους κυττάρων – ένα σύνορο που είναι πιθανό να καθορίσει την επόμενη γενιά χαρτογράφησης του εγκεφάλου.
«Κάθε εγκέφαλος», λέει ο Folkerth, «είναι ένας θησαυρός νέας γνώσης».
Το SGBC σχεδιάζει τώρα να απεικονίσει περισσότερους από 100 ολόκληρους ανθρώπινους εγκεφάλους σε διαφορετικά στάδια της ζωής και νευρολογικές διαταραχές, συμπεριλαμβανομένης της νόσου του Αλτσχάιμερ και της άνοιας, δημιουργώντας μια βιβλιοθήκη αναφοράς που μπορεί να αποκαλύψει πώς η ασθένεια αναδιαμορφώνει τον εγκέφαλο κύτταρο-κύτταρο.
Ο νέος άτλαντας δεν θα λύσει τα μυστήρια του ανθρώπινου εγκεφάλου. Ωστόσο, δίνοντας στους ερευνητές έναν πολύ πιο λεπτομερή χάρτη, μπορεί να τους βοηθήσει να κάνουν –και τελικά να απαντήσουν– καλύτερες ερωτήσεις.