Νέα θεωρία για την ανάπτυξη του εγκεφάλου προτείνουν επιστήμονες
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος ξεκινά τη ζωή του ως ένα μόνο κύτταρο. Στο τέλος της ανάπτυξής του, θα φιλοξενήσει ένα απίστευτα πολύπλοκο και ισχυρό δίκτυο περίπου 170 δισεκατομμυρίων κυττάρων. Αλλά πώς οργανώνεται αυτό το δίκτυο κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης; Ερευνητές από το Cold Spring Harbor Laboratory έχουν αναπτύξει μια απροσδόκητα απλή απάντηση, που θα μπορούσε να έχει σημαντικές συνέπειες για τη βιολογία και την τεχνητή νοημοσύνη.
Η σημασία της θέσης των κυττάρων
Ο Σταν Κερστγιένς, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του καθηγητή Άντονι Ζάντορ, θέτει το ερώτημα με όρους θέσης. “Το μόνο που βλέπει ένα κύτταρο είναι τον εαυτό του και τους γείτονές του,” εξηγεί. “Αλλά η μοίρα του εξαρτάται από το πού βρίσκεται. Ένα κύτταρο σε λάθος θέση γίνεται το λάθος πράγμα, και έτσι ο εγκέφαλος δεν αναπτύσσεται σωστά. Κάθε κύτταρο πρέπει να απαντήσει σε δύο ερωτήσεις: Πού είμαι; Και ποιος πρέπει να γίνω;”
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Neuron, ο Κερστγιένς, ο Ζάντορ και οι συνεργάτες τους από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και το ETH Zürich προτείνουν μια νέα θεωρία για το πώς ο εγκέφαλος οργανώνεται κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης.
Η θεωρία της γραμμής καταγωγής
Για πολύ καιρό, οι ερευνητές πίστευαν ότι τα κύτταρα αντάλλασσαν πληροφορίες θέσης κυρίως μέσω χημικών σημάτων. Όπως εξηγεί ο Κερστγιένς, αυτό λειτουργεί καλά όταν έχουμε να κάνουμε με λίγα κύτταρα. Όμως, ο εγκέφαλος δεν είναι λίγα κύτταρα. Είναι δισεκατομμύρια νευρώνες, καθένας από τους οποίους πρέπει να τοποθετηθεί ακριβώς στη σωστή θέση. Τα χημικά σήματα μπορούν να ταξιδέψουν μόνο μέχρι ένα σημείο πριν εξασθενήσουν. Άρα, πώς γνωρίζουν τα κύτταρα βαθιά μέσα σε έναν αναπτυσσόμενο εγκέφαλο πού βρίσκονται;
Η απάντηση, προτείνει ο Κερστγιένς, είναι πιο κοντά στο σπίτι απ’ ό,τι νομίζουμε. “Σκεφτείτε πώς οι ανθρωπιστικές πληθυσμιακές ομάδες εξαπλώνονται σε μια χώρα κατά τη διάρκεια γενεών,” λέει. “Οι απόγονοι εγκαθίστανται κοντά στους γονείς τους, έτσι ώστε οι άνθρωποι που μοιράζονται κοινή καταγωγή να βρίσκονται σε γειτονικές περιοχές, δημιουργώντας μεγάλες γεωγραφικές δομές χωρίς μακροχρόνια επικοινωνία. Υποστηρίζουμε ότι μια παρόμοια αρχή λειτουργεί στον αναπτυσσόμενο εγκέφαλο. Τα κύτταρα που προέρχονται από τον ίδιο πρόγονο τείνουν να παραμένουν κοντά το ένα στο άλλο.”
Πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας
Για να δοκιμάσουν αυτή τη θεωρία, ο Κερστγιένς και οι συνεργάτες του δημιούργησαν ένα μοντέλο που ονομάζουν “μοντέλο γραμμής καταγωγής για κλιμακωτή πληροφορία θέσης”. Ξεκίνησαν με θεωρητικούς υπολογισμούς και στη συνέχεια δοκίμασαν την υπόθεσή τους σε μεγάλη κλίμακα, εξετάζοντας την ατομική και ομαδική γονιδιακή έκφραση σε αναπτυσσόμενους εγκεφάλους ποντικών. Τέλος, επιβεβαίωσαν τα αποτελέσματά τους σε ζαχαροκάλαμα, δείχνοντας ότι το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εγκεφάλους διαφορετικών μεγεθών.
Ο Κερστγιένς επισημαίνει ότι το μοντέλο υποστηρίζει την έννοια ότι η χημική σηματοδότηση λειτουργεί σε συνεργασία με έναν μηχανισμό βασισμένο στη γραμμή καταγωγής για τη μετάδοση πληροφοριών θέσης. Αν και η έρευνά του επικεντρώνεται στον εγκέφαλο, η θεωρία θα μπορούσε να έχει εφαρμογές σε πολλές άλλες αναπτυσσόμενες ιστούς, συμπεριλαμβανομένων των όγκων. Υπάρχουν ακόμη και πιθανές συνέπειες για τα αυτοαναπαραγόμενα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης που μεταφέρουν πληροφορίες από τη μία γενιά στην άλλη, όπως κάνουν τα δικά μας εγκεφαλικά κύτταρα.
Ίσως το πιο σημαντικό είναι ότι η κατανόηση του πώς ένα μόνο κύτταρο εξελίσσεται σε ένα πολύπλοκο όργανο θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να λύσουν θεμελιώδεις μυστήρια του νου. Ο εγκέφαλος, κατά κάποιο τρόπο, μας καθιστά έξυπνους. Πώς κατάφερε να συγκεντρώσει αυτή την ικανότητα, όχι μόνο κατά τη διάρκεια της ανάπτυξής του, αλλά και κατά τη διάρκεια της εξελικτικής διαδικασίας; Αυτή είναι μια από τις κομμάτια του μεγάλου παζλ.
