Έρευνα του ΙΤΕ ανατρέπει θεωρία για τα εγκεφαλικά κύτταρα

Το αποτέλεσμα της έρευνας «φωτίζει» τον τρόπο λειτουργίας των ενδονευρώνων ταχείας πυροδότησης, ενός τύπου ανασταλτικών νευρώνων στον εγκέφαλό μας και αποκαλύπτει τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα αυτά ενσωματώνουν τα ερεθίσματα που δέχονται με τη χρήση πολύπλοκων, μη γραμμικών υπολογισμών στους δενδρίτες τους, αποτέλεσμα που προσβάλλει την υπάρχουσα θεωρία που θέλει τους ενδονευρώνες να έχουν απλούς, γραμμικούς δενδρίτες.

Η έρευνα αυτή παρουσιάζει μία νέα θεώρηση για τον τρόπο λειτουργίας των ενδονευρώνων και επεκτείνεται σε δύο περιοχές σχετικές με τη μνήμη: Τον ιππόκαμπο και τον προμετωπιαίο φλοιό. Παρέχει, επίσης μία ακριβέστερη μαθηματική περιγραφή του τρόπου με τον οποίο οι νευρώνες αυτοί κωδικοποιούν τις εισερχόμενες πληροφορίες, γεγονός που μπορεί να έχει μελλοντικά σημαντικές επιρροές σε πεδία πέρα από τη Νευροεπιστήμη, όπως αυτά της μηχανικής μάθησης και της τεχνητής νοημοσύνης. Περαιτέρω, πειραματικές δοκιμασίες αναμένεται να ενισχύσουν την κατανόησή μας για το πώς τα κύτταρα αυτά συμβάλλουν στη μάθηση και τη μνήμη.

Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο Nature Communications με τίτλο: «Αμφισβητώντας το δόγμα του σημειακού νευρώνα: Οι ενδονευρώνες ταχείας πυροδότησης ως μη γραμμικά νευρωνικά δίκτυα».

Όπως εξηγούν οι ερευνητές του ΙΤΕ, η υποψήφια διδάκτορας Αλεξάνδρα Τζιλιβάκη και ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης Δρ. Γιώργος Καστελάκης, που πραγματοποίησαν την έρευνα υπό την επίβλεψη της Δρ. Παναγιώτας Ποϊράζη, διευθύντριας Ερευνών IMBBΙΤΕ, για δεκαετίες, οι ερευνητές υπέθεταν ότι οι ενδονευρώνες απλά άθροιζαν τα εισερχόμενα ερεθίσματα που δέχονταν και, εφόσον το αποτέλεσμα ήταν αρκετά ισχυρό, πυροδοτούνταν μεταφέροντας έτσι το μήνυμα στα επόμενα κύτταρα. Η θεώρηση αυτή οδήγησε στο δόγμα του «σημειακού νευρώνα», δηλαδή, εκείνου που απλώς αθροίζει τα ερεθίσματα που λαμβάνει χωρίς να τα επηρεάζει - ως εκ τούτου αναπαρίστανται «σημειακά», δηλαδή, σαν ένα απλό σημείο. Πρόσφατα πειραματικά ευρήματα, ωστόσο, αναφέρουν μη γραμμικά δενδριτικά γεγονότα σε πολλούς τύπους ενδονευρώνων, υποδηλώνοντας ότι τα κύτταρα αυτά πιθανά να είναι κάτι παραπάνω από σημειακά.

Επιστημονική ανάλυση της νέας έρευνας

Οι ενδονευρώνες είναι η κύρια κατηγορία ανασταλτικών κυττάρων στον εγκέφαλο των θηλαστικών (ανασταλτικοί νευρώνες είναι τα φρένα του εγκεφάλου: καταστέλλουν τη νευρική δραστηριότητα των κυττάρων με τα οποία συνδέονται). Οι ενδονευρώνες διακρίνονται για την εξαιρετική ποικιλομορφία τους, τόσο στη δομή όσο και στη μοριακή και πρωτεϊνική τους σύνθεση. Παρά τη χαρακτηριστική τους πολυπλοκότητα και ανομοιογένεια, τα κύτταρα αυτά θεωρούνταν μέχρι σήμερα ως απλοί ελεγκτές της διεγερσιμότητας των νευρικών κυκλωμάτων, με στόχο την ομαλή λειτουργία του εγκεφάλου.

Πράγματι, η διακοπή της σωστής λειτουργίας τους έχει συσχετιστεί με διάφορες νευροεκφυλιστικές διαταραχές όπως η νόσος του Alzheimer, η νόσος του Parkinson, η επιληψία κ.λπ. Οι ερευνητές του ΙΤΕ ανέπτυξαν ένα σύνολο υπολογιστικών μοντέλων που καλύπτουν δύο περιοχές του εγκεφάλου, τον ιππόκαμπο και τον προμετωπιαίο φλοιό. Οι περιοχές αυτές εμπλέκονται σε διαδικασίες μνήμης και μάθησης και εμφανίζουν αλλοιώσεις σε πληθώρα ασθενειών που προσβάλουν την μνήμη.

Τα μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν για να μελετήσουν οι ερευνητές το πώς οι δενδρίτες επεξεργάζονται τα ερεθίσματα που δέχονται και τον τρόπο με τον οποίο η επεξεργασία αυτή θα μπορούσε να ενισχύσει τη συμβολή των κυττάρων αυτών σε διαδικασίες μνήμης και μάθησης. Τα υπολογιστικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν περιλάμβαναν:

α) Λεπτομερείς αναπαραστάσεις των βιολογικών νευρώνων

β) Απλοποιημένες μαθηματικές εκδοχές αυτών βασιζόμενες σε τεχνητά νευρωνικά δίκτυα και

γ) Μοντέλα δικτύων από νευρώνες που έχουν την ικανότητα να δημιουργούν νέες μνήμες.

Το πρώτο ενδιαφέρον εύρημα ήταν ότι σε όλα τα μοντέλα που δοκιμάστηκαν, και στις δύο περιοχές του εγκεφάλου, οι ενδονευρώνες ταχείας πυροδότησης είχαν δύο είδη μη γραμμικών δενδριτών. Εκείνους που μπορούσαν να ενισχύσουν τα εισερχόμενα ερεθίσματα (υπερ-γραμμικοί) και αυτούς που μπορούσαν να τα καταστείλουν (υπο-γραμμικοί). Η παρουσία αυτών των μη-γραμμικών δενδριτικών ιδιοτήτων επέτρεψε σε μεμονωμένους ενδονευρώνες να παράγουν ένα ευρύ φάσμα αποκρίσεων που δεν θα μπορούσαν να παραχθούν από ένα απλό σημειακό νευρώνα. Οι ερευνητές μάλιστα ανέπτυξαν ένα νέο θεωρητικό μοντέλο ικανό να εξηγήσει το φάσμα αποκρίσεων που παράγουν αυτά τα κύτταρα.

Σύμφωνα με τη νέα θεωρία, οι συγκεκριμένοι ενδονευρώνες λειτουργούν ως 2-επιπέδων νευρωνικά δίκτυα με κόμβους αντίστοιχους των δενδριτικών ιδιοτήτων τους. Το αναπάντεχο αυτό εύρημα, όπως τονίζεται από τους ερευνητές του ΙΤΕ, θέτει υπό αμφισβήτηση τη μέχρι προσφάτως αποδεκτή θεωρία ότι οι ενδονευρώνες ταχείας πυροδότησης λειτουργούν ως απλά σημειακά κύτταρα, χωρίς δενδριτική επεξεργασία των ερεθισμάτων τους.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα υπολογιστικό νευρικό μικροκύκλωμα, που χρησιμοποιήθηκε για να δημιουργήσει απλές μνήμες, και μελέτησαν τον τρόπο με τον οποίο οι ενδονευρώνες συμβάλλουν στη δημιουργία τους. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι μη γραμμικοί δενδρίτες των ενδονευρώνων ταχείας πυροδότησης μπορούν να ενισχύσουν σημαντικά τη δημιουργία και παγίωση μνημών.