Creierul
nostru este precum o pădure deasă – o aglomerare complexă, aparent impenetrabilă
de neuroni aflaţi în interacţiune, care mediază cunoaşterea şi comportamentul.
Marea provocare constă în dezvăluirea secretelor sale, adică, în descoperirea
modului în care neuronii sunt structuraţi şi interconectaţi. Cât de aproape suntem
de acest ţel?
În
general, schimbul de informaţii dintre miliardele de neuroni care alcătuiesc pădurea
neuronală are loc prin intermediul a două tipuri de structuri
ultraspecializate: sinapsele chimice (majoritatea) şi aşa-numitele joncţiuni
comunicante (o subgrupă a unei clase de sinapse electrice). Transmisia sinaptică
chimică presupune secretarea de molecule specifice, de neurotransmiţători, care
se răspândesc în spaţiul intercelular şi care interacţionează cu receptorii
specifici aflaţi pe un neuron învecinat. În timpul transmisiei electrice,
facilitate de joncţiunile comunicante, membranele plasmatice ale neuronilor
învecinaţi sunt separate printr-o deschidere de aproximativ doi nanometri (două
miliardimi de metru), însă acestea conţin mici canale (joncţiunile comunicante)
care pun în legătură citoplasma neuronilor învecinaţi, permiţând difuziunea
moleculelor mici şi transmisia curentului electric.
Principala
problemă care apare în momentul analizării creierului constă în extrema
complexitate a conexiunilor sale sinaptice. O reţea de procese foarte compactă
ocupă spaţiul dintre corpii celulari ai neuronilor, neuroglii (celulele care
susţin şi protejează neuronii) şi vasele sangvine. Acest spaţiu reprezintă
90–98% din volumul cortexului uman, cu aproximativ un miliard de sinapse per
nanometru cub.
Şi,
ca şi cum sarcina cartografilor creierului nu ar fi fost suficient de complicată,
a fost observată o mare varietate de legături sinaptice. Iar un neurotransmiţător
se poate răspândi şi acţiona nu numai asupra altor contacte sinaptice, ci şi
asupra receptorilor extrasinaptici. În mod similar, nu toate transmisiile
electrice sunt mediate de joncţiunile comunicante, iar aceste forme implică
diverse structuri specializate. În plus, interacţiunile electrice au loc între
elemente neuronale aflate la mică distanţă unele de celelalte, fără specializări
evidente ale membranei.
Mai
mult, s-a sugerat că celulele gliale ar fi implicate în procesarea informaţiilor,
prin transmiterea bidirecţională de semnale, la şi de la neuroni. Apoi, în
prezent, ştim că activitatea circuitelor neuronale este puternic influenţată de
neurotransmiţători (cum ar fi dopamina, serotonina şi acetilcolina), secretaţi
de un mic număr de neuroni, dar care se răspândesc în zone întinse ale
sistemului nervos. Neurohormonii, secretaţi de celulele neurosecretoare, au, de
asemenea, efect asupra multor regiuni ale creierului, prin intermediul
sistemului circulator.
Cu
toate acestea, reuşim să ne descurcăm tot mai bine prin pădure. Conexiunile
cerebrale – „sinaptomul“ creierului – reprezintă substratul anatomic pentru o
varietate de funcţii care necesită ca informaţiile să fie transmise rapid
dintr-un punct într-altul. Circuitele neuronale răspunzătoare de reflexe sunt
un exemplu tipic: acţiuni relativ simple, rapide, automate, care au loc la un
nivel subconştient. Alte funcţii, mult mai complexe, legate de sinaptom includ
procesarea de informaţii în circuitele mari, dar totodată discrete, ale
sistemelor senzorial şi motor, şi în regiunile cerebrale asociate cu limbajul,
calculele, scrisul şi raţionamentele.
Sistemele modulatoare acţionează însă asupra
unor multiple circuite neuronale şi zone ale creierului. Această acţiune de
difuziune este legată de dispoziţiile şi stările generale ale creierului (de
exemplu: atenţie, somn şi anxietate).
Reconstrucţia
în serie, rapidă şi automată, a unor ţesuturi de mari dimensiuni, facilitată de
recenta dezvoltare a tehnicilor de microscopie electronică automată, este
metoda aleasă pentru definirea sinaptomului. Cu toate acestea, chiar şi atunci
când această tehnologie este utilizată, reconstrucţia creierului în totalitatea
sa este posibilă doar în cazul sistemelor nervoase relativ simple. Într-adevăr,
chiar dacă vorbim de mamiferele mici, cum ar fi şoarecii, reconstruirea completă
a creierului, până la nivelul ultrastructural al acestuia, este imposibilă,
deoarece gradul de mărire necesar pentru a vizualiza sinapsele generează
imagini de dimensiuni relativ reduse.
De
exemplu, s-a estimat că, dacă ar fi să utilizăm secţiuni de aproximativ 35 de
micrometri pătraţi la o grosime de 20 de nanometri, am avea nevoie de peste 1,4
miliarde de secţiuni pentru a reconstrui complet un singur milimetru cub de ţesut.
Astfel, deşi reconstrucţiile complete ale unor mici porţiuni ale creierului
mamiferelor sunt posibile, structuri precum cortexul – cu o suprafaţă desfăşurată
de 2,2 m2 şi o grosime între 1,5 şi 4,5 mm – nu pot fi reconstruite
pe deplin.
Cu
toate acestea, în pofida dificultăţilor de natură tehnică, se pot face progrese
uimitoare în sensul dezvăluirii modului de organizare a creierului, chiar şi a
celui uman, adoptând strategiile potrivite, cu instrumentele disponibile în
prezent. De exemplu, deşi densitatea sinaptică a unui strat dintr-o zonă dată
poate varia, această variabilitate nu este caracteristică decât unui interval
relativ restrâns, astfel, distribuţia statistică a variaţiei poate fi modelată.
Aceasta înseamnă că nu este nevoie să reconstruim întregul strat dintr-o zonă
dată pentru a stabili numărul absolut şi tipurile de sinapse; în schimb, putem
determina intervalul de variabilitate prin eşantionarea multiplă a regiunilor
relativ mici din zona respectivă.
Combinând
aceste date structurale detaliate cu diagramele incomplete ale conexiunilor,
furnizate de microscopia optică şi electronică, s-ar putea genera un model
statistic realist, în locul încercării nereuşite de reconstruire a creierului
în întregime. Modelele de calcul ale reţelelor neuronale, bazate pe circuite
reale, au devenit deja instrumente utile pentru studierea aspectelor organizării
funcţionale a creierului.
Prin
urmare, deşi nu putem spera la realizarea unui adevărat sinaptom al creierului
de mamifer, este posibil ca, în viitorul apropiat, să fim capabili să construim
un „cortex in silico“ – un dispozitiv
computerizat bazat pe un model realist al structurii anatomice, fiziologice şi
moleculare complete a circuitelor corticale. Dacă reuşim, vom avea, în sfârşit,
o privire de ansamblu asupra pădurii, fără să trebuiască să cercetăm fiecare
copac în parte.
© Project Syndicate, 2013. www.project-syndicate.org
Traducere din limba
engleză de Sorana Graziella Cornea
|
 Javier DeFelipe este profesor universitar, directorul
Laboratorului „Cajal“ de circuite corticale din cadrul Universităţii
Politehnice din Madrid şi al Laboratorului de microorganizare a cortexului
cerebral normal şi de alterări ale circuitelor – Institutul „Cajal“ din Madrid.
|
