Pierwsza mapa rozwijającego się mózgu pozwala dostrzec pochodzenie zaburzeń psychicznych.

Ludzkość obserwowała Księżyc z podziwem, a nawet przerażeniem jego rzekomego złowrogiego wpływu przez tysiąclecia, aż do czasu, gdy Polak Jan Heweliusz , syn bogatego piwowara, zbudował domowej roboty teleskop w miejscu, które jest teraz Gdańskiem i każdej nocy siedział, badając ten dziwny pozaziemski świat i rysując go. W 1647 roku opublikował pierwszą książkę map Księżyca . NeurobiologTomasz Nowakowski , lat 40, dorastał w tym samym mieście co Heweliusz i w tę środę kieruje pierwszym szkicem mapy mózgu w trakcie jego etapów rozwoju: od embrionu do dorosłego. Badacz mówi, że czuje się jednym z tych pionierskich kartografów. „Dotarcie ludzi na Księżyc nie miałoby miejsca, gdybyśmy nie mieli mapy powierzchni Księżyca. Wszystkie wielkie postępy i osiągnięcia w historii zaczęły się od stworzenia dokładnych map” — wyjaśnia dla EL PAÍS.

Nowakowski jest jedną z kluczowych postaci inicjatywy BRAIN , mającej na celu zmapowanie ludzkiego mózgu, amerykańskiego projektu zainicjowanego przez prezydenta Baracka Obamę w 2013 roku, który zgromadził już kolosalny budżet w wysokości około 4,5 miliarda euro . „Mózg, który daje początek naszym myślom, ideom i wyobraźni, pozostaje najważniejszym niezbadanym obiektem. Aby go zrozumieć, musimy zacząć od zrozumienia listy jego komponentów” – mówi Nowakowski z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco.

Zadanie jest monumentalne. Podczas ciąży pojedyncza komórka – komórka jajowa zapłodniona plemnikiem – rozmnaża się, a od trzeciego tygodnia rozpoczyna się rozwój szczątkowego układu nerwowego, którego kulminacją jest mózg z 86 miliardami neuronów i bilionami połączeń między nimi. W tej niewyobrażalnej choreografii wewnątrz czaszki płodu niektóre komórki często podążają alternatywnymi ścieżkami. Nowakowski cytuje szacunki, które wskazują, że 15% dzieci i nastolatków żyje z zaburzeniami neurorozwojowymi, takimi jak autyzm, schizofrenia i zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi (ADHD).

Międzynarodowe konsorcjum wykorzystało najnowsze technologie, umożliwiające analizę aktywności genów w poszczególnych komórkach, aby stworzyć pierwszy szkic dynamicznej mapy rozwijającego się mózgu. „Ludzkie tkanki można uzyskać w wyniku zabiegów chirurgicznych lub z mózgów pobranych pośmiertnie , które normalnie zostałyby odrzucone. Jeśli komórki zostaną wyizolowane z tkanki wystarczająco szybko, można je hodować in vitro przez kilka godzin lub, w niektórych przypadkach, przez kilka dni. Daje nam to wyjątkową możliwość badania procesów rozwojowych u ludzi” – mówi Nowakowski. Tak zwane pluripotentne komórki macierzyste , uzyskane z nadwyżkowych embrionów z klinik leczenia niepłodności lub z przeprogramowanych komórek dorosłych, pozwalają teraz badaczom naśladować wczesne etapy rozwoju mózgu w laboratorium .

Nowe odkrycia stanowią pierwszy krok w kierunku zrozumienia, w jakich konkretnych momentach ciąży ryzyko wystąpienia guza mózgu lub nieprawidłowości neurorozwojowych jest najwyższe. Geny zaangażowane w zaburzenia takie jak autyzm i schizofrenia, wyjaśnia Nowakowski, są aktywowane najintensywniej pod koniec ciąży, dokładnie w fazach najbardziej różniących się od tych występujących u myszy i innych zwierząt laboratoryjnych. Posiadanie własnego atlasu jest niezbędne do zrozumienia, jak rozwija się ludzki mózg.

Mózg zawiera tysiące podtypów komórek, z których każdy jest wysoce wyspecjalizowany w swojej funkcji: neurony odpowiedzialne za myślenie, astrocyty , które zapewniają wsparcie, oligodendrocyty , które działają jako warstwa izolacyjna dla ścieżek nerwowych i mikroglej , który usuwa zanieczyszczenia z układu nerwowego. Konsorcjum odkryło, że podczas rozwoju płodowego komórki są niezwykle elastyczne w swojej tożsamości, co pozwala im różnicować się w inne typy komórek występujące w mózgu dorosłego. Ta elastyczność jest również ich słabością. Naukowcy zidentyfikowali typ komórek progenitorowych, obecnych w drugim trymestrze ciąży, które mogą generować neurony, oligodendrocyty lub astrocyty. A glejak wielopostaciowy , nieuleczalny rak mózgu, zawiera komórki podobne do tego progenitora, oferując wskazówkę co do pochodzenia tego guza.

Konsorcjum o nazwie BRAIN Initiative Cell Atlas Network ogłosiło w środę wyniki pół tuzina badań opublikowanych w czasopiśmie Nature . Pierwszy wers tekstu wprowadzającego nawiązuje do pracy Hiszpana Santiago Ramóna y Cajala , człowieka, który wyposażony w mikroskop i móżdżki kurcząt, przedstawił w 1888 roku w Barceloniepierwszy obiektywny dowód na to, że układ nerwowy jest zorganizowany w pojedyncze komórki. „Prawie cała współczesna neuronauka opiera się na koncepcjach zaproponowanych przez Cajala” — mówi Nowakowski. „Był wizjonerem, nawet w aspektach, których nadal nie umiemy badać. Jestem przekonany, że jego wizja będzie rezonować przez wiele kolejnych lat” — dodaje profesor z University of California.

Hiszpański neurobiolog Rafael Yuste był w centrum inicjatywy BRAIN. Opowiada, że ​​pewnego dnia we wrześniu 2011 roku w angielskim dworze Chicheley Hall spotkał się z dwudziestoma tuzinami ekspertów w dziedzinie mózgu lub w badaniu struktur mierzących milionowe części milimetra, aby omówić potencjalną współpracę. Yuste wstał i zapoczątkował debatę: zaproponował analizę wszystkich neuronów, jeden po drugim. Zbadanie tylko kilku, ogłosił, było jak próba oglądania telewizji, obserwując pojedynczy piksel. Pośród głosów twierdzących, że to niemożliwe, amerykański genetyk George Church , który od 1984 roku kierował projektem sekwencjonowania ludzkiego DNA, wstał i oświadczył, że w nauce „nic nie jest niemożliwe”. Biały Dom przyjął tę propozycję, a na początku 2013 r. Obama uroczyście ogłosił projekt : „Ludzie potrafią identyfikować galaktyki oddalone o lata świetlne, potrafimy badać cząsteczki mniejsze od atomu, ale nie rozszyfrowaliśmy jeszcze tajemnicy półtora kilograma materii, którą mamy między uszami”.

Yuste, profesor Uniwersytetu Columbia (USA), z entuzjazmem przyjmuje najnowsze wyniki inicjatywy. „Ten atlas typów komórek w fazie rozwoju jest niezbędny nie tylko dla naukowego zrozumienia, jak rozwija się mózg – co jest absolutnie fascynujące, biorąc pod uwagę, że mózg składa się i samoorganizuje bez zewnętrznych instrukcji – ale także dlatego, że dostarcza fundamentalnych informacji do zrozumienia zmian i patologii zachodzących w czasie ciąży i we wczesnych etapach życia” – mówi. „Te wyniki pokazują, jak kluczowe dla nauki i medycyny jest stałe inwestowanie w rozwój i stosowanie nowych metod” – podkreśla Yuste, siła napędowa przyszłego Narodowego Centrum Neurotechnologii (Spain Neurotech) w Madrycie.

Dwa lata temu zespół neurobiologa Hongkui Zenga przedstawił najpełniejszą mapę mózgu dorosłej myszy: narząd wielkości ziarnka grochu , liczący zaledwie 70 milionów neuronów i 5300 typów komórek. Zeng i jej współpracownicy z Instytutu Nauk o Mózgu Allena w Seattle skupili się teraz na komórkach niezbędnych do funkcjonowania układu nerwowego: hamujących neuronach GABA-ergicznych , które działają jak hamulec mózgu, zmniejszając jego aktywność i ułatwiając przekazywanie informacji. Według naukowców, neurony te nadal rozwijają się po urodzeniu, szczególnie w obszarach mózgu odpowiedzialnych za uczenie się, emocje i podejmowanie decyzji. „Oznacza to, że czas na interwencję i pomoc mózgowi w reorganizacji może być dłuższy niż wcześniej sądzono, zwłaszcza w przypadku dzieci z zaburzeniami rozwojowymi” – podkreślił Instytut Allena w oświadczeniu.

Neurobiolog Guillermina López Bendito mówi o „jakościowym skoku” w swojej dziedzinie. „Do tej pory dysponowaliśmy atlasami komórkowymi, głównie mózgów dorosłych, które zapewniały statyczny obraz tożsamości komórkowej. Ten zbiór artykułów przekształca tę migawkę w poruszający film: rekonstruuje progresję czasową i linie komórkowe, które dały początek rozwijającemu się mózgowi” – ​​mówi badaczka z Instytutu Neurologii w Alicante.

López Bendito kieruje laboratorium, które dąży do zrozumienia niezwykle gęstej sieci połączeń między komórkami mózgowymi. Podkreśla, że ​​konsorcjum, w którym nie uczestniczyła, naszkicowało mapy różnych gatunków ssaków, od myszy po ludzi, identyfikując specyficzne cechy ludzi i innych naczelnych, takie jak dłuższy okres generacji nowych neuronów i dywersyfikacja kory mózgowej po urodzeniu. „Te różnice czasowe mogą leżeć u podstaw zarówno ludzkich zdolności poznawczych, jak i naszej większej podatności na mutacje genetyczne lub zaburzenia środowiskowe w trakcie rozwoju” – zauważa neurobiolog.

Santiago Ramón y Cajal, sam na sam ze swoim mikroskopem, wyruszył w 1888 roku na niemożliwą misję mapowania mózgu, milimetr po milimetrze. Jego praca osiągnęła punkt kulminacyjny w 1904 roku wraz z publikacją *Tekstury układu nerwowego człowieka i kręgowców *, kolosalnego, 1800-stronicowego dzieła, które zawierało ostrzeżenie: „Doskonałe dokończenie gmachu neurologii będzie wymagało pracy wielu stuleci”. Tomasz Nowakowski jest bardziej optymistyczny. „Nie sądzę, żebyśmy byli od tego oddaleni o wieki, ani nawet o dekady. Jestem pod wrażeniem szybkości, z jaką rozwinęła się sztuczna inteligencja, zwłaszcza w ostatnich latach, aby emulować pewne procesy poznawcze za pomocą modeli obliczeniowych” – zastanawia się badacz. „Myślę, że szybko zbliżamy się do punktu, w którym teoria i modelowanie będą przewidywać, które komórki i cząsteczki są niezbędne dla struktury i funkcji mózgu. I będziemy dysponować technologiami niezbędnymi do testowania tych przewidywań” – przewiduje.