Γιατί αυτός ο λεπτομερής χάρτης του εγκεφάλου μπορεί να μας δώσει απαντήσεις για αυτισμό, Πάρκινσκον, Αλτσχάιμερ και εξαρτήσεις

Το γεγονός ότι μπορείς και διαβάζεις αυτό το άρθρο είναι επειδή τα βασικά γάγγλια του εγκεφάλου σου σού επιτρέπουν να το κάνεις. Τώρα, το λογικό ερώτημα αφορά το «τι είναι τα γάγγλια».

Πρόκειται για μικρές δομές που βρίσκονται βαθιά στο κέντρο του ανθρώπινου εγκεφάλου. Αν και το μέγεθός τους δεν ξεπερνά συνολικά εκείνο δύο σταφυλιών, ο ρόλος τους είναι καθοριστικός για την εκούσια κίνηση, τη λήψη αποφάσεων, τη δημιουργία συνηθειών και τη διαχείριση των συναισθημάτων.

Αυτή η μικροσκοπική «κεντρική μονάδα ελέγχου» του εγκεφάλου συνδέεται επίσης με ένα ευρύ φάσμα νευρολογικών και ψυχιατρικών διαταραχών, όπως η νόσος του Πάρκινσον, η νόσος Αλτσχάιμερ, ο αυτισμός, η σχιζοφρένεια και οι εξαρτήσεις.

Για τους επιστήμονες, αποτελεί ένα ιδανικό σημείο εκκίνησης για τη δημιουργία ενός εξαιρετικά λεπτομερούς χάρτη του ανθρώπινου εγκεφάλου. Και αυτό ακριβώς κατάφερε μια μεγάλη διεθνής κοινοπραξία επιστημόνων από εννέα χώρες, όπως εξηγεί σε λεπτομερές της δημοσίευμα η ισπανική El Pais.

Ο πρώτος κυτταρικός άτλας

Σε έρευνα που δημοσιεύθηκε την Πέμπτη, παρουσιάστηκε ο πρώτος κυτταρικός άτλαντας των βασικών γαγγλίων του ανθρώπου, μαζί με αντίστοιχους χάρτες για τρία ακόμη θηλαστικά: τους μακάκους, τους μαρμοζέτες και τα ποντίκια.

Πρόκειται για την πληρέστερη χαρτογράφηση αυτής της περιοχής του εγκεφάλου που έχει πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα σε διαφορετικά είδη. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι τα ευρήματα θα βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση τόσο της φυσιολογικής λειτουργίας του εγκεφάλου όσο και των πολυάριθμων διαταραχών που τον επηρεάζουν.

Ένας λεπτομερής χάρτης για κάθε κύτταρο του εγκεφάλου

Ένας από τους μεγαλύτερους στόχους της νευροεπιστήμης είναι να κατανοήσει καλύτερα τις ψυχικές και νευρολογικές ασθένειες, εντοπίζοντας ποια κύτταρα και ποιες περιοχές του εγκεφάλου εμπλέκονται σε κάθε διαταραχή.

Ο νέος άτλαντας αποτελεί τον πιο εκτενή κατάλογο τύπων κυττάρων των βασικών γαγγλίων που έχει δημιουργηθεί μέχρι σήμερα και ένα σημαντικό βήμα προς την πλήρη χαρτογράφηση όλων των κυτταρικών τύπων του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Πρόκειται για ένα εξαιρετικά σύνθετο όργανο, το οποίο περιέχει περισσότερους από 85 δισεκατομμύρια νευρώνες και τρισεκατομμύρια συνδέσεις μεταξύ τους.

«Μια διάγνωση σχιζοφρένειας ή διπολικής διαταραχής εξακολουθεί να αποτελεί μια καταστροφική καταδίκη για ολόκληρη τη ζωή ενός ανθρώπου. Οι ασθενείς με νευροεκφυλιστικές παθήσεις υποφέρουν επίσης πάρα πολύ και, δυστυχώς, πεθαίνουν πρόωρα εξαιτίας αυτών των ασθενειών», δήλωσε ο Έβαν Μακόσκο, αναπληρωτής καθηγητής Ψυχιατρικής και Νευροβιολογίας στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και ένας από τους επιστήμονες που συμμετείχαν στη δημιουργία του άτλαντα.

«Η συγκεκριμένη περιοχή του εγκεφάλου αποτελεί βασικό κέντρο για τις ασθένειες και των δύο αυτών κατηγοριών», πρόσθεσε.

Μελέτη σε 21 εκατ. ανθρώπινα κύτταρα

Οι ερευνητές μελέτησαν συνολικά 25,5 εκατομμύρια κύτταρα από εγκεφάλους ανθρώπων και ζώων. Συγκεκριμένα, εξέτασαν 21 εκατομμύρια ανθρώπινα κύτταρα, τρία εκατομμύρια από μακάκους και 1,5 εκατομμύριο από μαρμοζέτες.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν την Πέμπτη σε μια συλλογή 26 επιστημονικών εργασιών, σε περιοδικά του εκδοτικού ομίλου Cell.

Ο νέος άτλαντας βασίζεται σε προηγούμενες προσπάθειες χαρτογράφησης του ανθρώπινου εγκεφαλικού φλοιού, καθώς και σε ένα παλαιότερο προσχέδιο χαρτογράφησης ολόκληρου του εγκεφάλου.

Η σημαντικότερη καινοτομία του είναι ότι δεν εξετάζει μόνο ποια γονίδια είναι ενεργά σε κάθε κύτταρο, αλλά και τους επιγενετικούς μηχανισμούς που ρυθμίζουν τη λειτουργία τους, τη μορφολογία τους, την ακριβή θέση τους στον εγκέφαλο και την ηλεκτρική τους δραστηριότητα.

Το πρόγραμμα BRAIN Initiative και οι νέες ανακαλύψεις

Ο νέος άτλαντας αποτελεί την πιο πρόσφατη σημαντική επιτυχία της ερευνητικής πρωτοβουλίας BRAIN Initiative, ενός μεγάλου αμερικανικού επιστημονικού προγράμματος που ξεκίνησε το 2014 και έχει λάβει μέχρι σήμερα χρηματοδότηση περίπου 750 εκατομμυρίων δολαρίων.

Τελικός στόχος του προγράμματος είναι να δημιουργηθεί ένας ολοκληρωμένος κατάλογος όλων των τύπων κυττάρων του ανθρώπινου εγκεφάλου.

«Για να κατανοήσουμε τι πραγματικά συμβαίνει στον εγκέφαλο, χρειαζόμαστε έναν ακριβή κατάλογο των κυτταρικών τύπων και πρέπει να μελετήσουμε την έκφραση των γονιδίων σε καθέναν από αυτούς», εξηγεί σε σχετική ανακοίνωση η Χονγκκούι Ζενγκ, εκτελεστική αντιπρόεδρος και διευθύντρια Νευροεπιστημών στο Allen Institute, έναν από τους βασικούς οργανισμούς που συμμετείχαν στο εγχείρημα.

Στο πρόγραμμα συνεργάστηκαν εκατοντάδες επιστήμονες από εννέα χώρες και 50 πανεπιστημιακά και ερευνητικά ιδρύματα.

Σχιζοφρένεια και διπολική διαταραχή

Μία από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις ήταν ο εντοπισμός ενός μέχρι σήμερα άγνωστου τύπου εγκεφαλικού κυττάρου, ο οποίος συνδέεται με τη σχιζοφρένεια και τη διπολική διαταραχή.

Η μελέτη αναδεικνύει τη σημασία ενός σπάνιου υποτύπου νευρώνων που εκφράζει τον υποδοχέα σεροτονίνης HTR7 και σχετίζεται με αυξημένο κίνδυνο εμφάνισης σχιζοφρένειας.

Το εύρημα επιτρέπει στους επιστήμονες να συνδέσουν συγκεκριμένα γενετικά χαρακτηριστικά της ασθένειας με συγκεκριμένους τύπους κυττάρων. Αυτό θα μπορούσε να βελτιώσει την έρευνα γύρω από τη διαταραχή και, μελλοντικά, να οδηγήσει στην ανάπτυξη πιο στοχευμένων θεραπειών.

Πάρκινσον

Μια άλλη επιστημονική εργασία παρουσιάζει μια νέα εκδοχή γονιδιακής θεραπείας για τη νόσο του Πάρκινσον, η οποία μειώνει το χαρακτηριστικό τρέμουλο των ασθενών. Σε πειράματα με ζωικά μοντέλα, η συγκεκριμένη προσέγγιση αποδείχθηκε αποτελεσματικότερη και λιγότερο επεμβατική σε σύγκριση με θεραπείες που χρησιμοποιούνται σήμερα στους ασθενείς.

Παράλληλα, έρευνα με επικεφαλής επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Φρανσίσκο εντόπισε σημαντικές γενετικές μεταβολές σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων των βασικών γαγγλίων, οι οποίες ενδέχεται να διαδραματίζουν ρόλο στον αυτισμό.

Τα ευρήματα θα μπορούσαν να συμβάλουν τόσο στην καλύτερη κατανόηση της διαταραχής όσο και στην ανάπτυξη νέων θεραπευτικών προσεγγίσεων.

Πώς γερνά ο ανθρώπινος εγκέφαλος

Αρκετές από τις επιστημονικές εργασίες επικεντρώνονται στις αλλαγές που υφίσταται ο εγκέφαλος καθώς μεγαλώνει ο άνθρωπος, αλλά και στον τρόπο με τον οποίο αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της γήρανσής του.

Επιστήμονες του Broad Institute εντόπισαν εκτεταμένες μεταβολές στην έκφραση των γονιδίων που σχετίζονται με την ηλικία και επηρεάζουν με διαφορετικό τρόπο τους διάφορους τύπους εγκεφαλικών κυττάρων.

Τα αποτελέσματα επιτρέπουν στους ερευνητές να εκτιμήσουν την ηλικία ενός ανθρώπου εξετάζοντας τα πρότυπα έκφρασης των γονιδίων σε διαφορετικές κατηγορίες εγκεφαλικών κυττάρων.

Μια άλλη μελέτη έδειξε ότι η αναλογία των διαφορετικών τύπων κυττάρων στο ραβδωτό σώμα, τη μεγαλύτερη δομή των βασικών γαγγλίων, παρουσιάζει σημαντικές διαφορές από άνθρωπο σε άνθρωπο.

Οι επιστήμονες πραγματοποίησαν αλληλούχιση RNA σε επίπεδο μεμονωμένων κυτταρικών πυρήνων, εξετάζοντας τέσσερα εκατομμύρια κύτταρα από το ραβδωτό σώμα και τον προμετωπιαίο φλοιό σχεδόν 200 ανθρώπων που είχαν πεθάνει.

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, ενώ οι αναλογίες των κυτταρικών τύπων παραμένουν σχετικά σταθερές στις διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου του ίδιου ανθρώπου, η συνολική κυτταρική σύνθεση παρουσιάζει μεγάλες διαφορές μεταξύ διαφορετικών ατόμων.

Οι αποκλίσεις ήταν ιδιαίτερα έντονες στα μη νευρωνικά κύτταρα, όπως τα αστροκύτταρα και τα μικρογλοιακά κύτταρα, τα οποία διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργία και την προστασία του εγκεφάλου.

Οι ερευνητές εντόπισαν επίσης αλλαγές που σχετίζονται με την ηλικία σε όλες τις περιοχές του εγκεφάλου που εξετάστηκαν. Για παράδειγμα, ο αριθμός των προγονικών κυττάρων των ολιγοδενδροκυττάρων μειώνεται κατά περίπου 40% μεταξύ των ηλικιών 30 και 80 ετών.

Το μεγάλο όνειρο της νευροεπιστήμης

Ο Ισπανός νευροβιολόγος Ραφαέλ Γιούστε, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια της Νέας Υόρκης και ένας από τους αρχιτέκτονες της πρωτοβουλίας BRAIN Initiative, επισημαίνει ότι έχουν ήδη δημιουργηθεί και άλλοι άτλαντες του εγκεφάλου στο πλαίσιο του προγράμματος.

Ωστόσο, όπως σημειώνει, ο συγκεκριμένος είναι «ο πιο ολοκληρωμένος μέχρι σήμερα», ενώ η επιστημονική κοινοπραξία που συμμετείχε στη δημιουργία του είναι μεγαλύτερη από κάθε προηγούμενη.

Ο Γιούστε υπογραμμίζει τη σημασία του εντοπισμού κάθε διαφορετικού τύπου κυττάρου στον ανθρώπινο εγκέφαλο, έναν στόχο που χαρακτηρίζει ως «το όνειρο του Σαντιάγο Ραμόν ι Καχάλ».

Ο Ισπανός επιστήμονας τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής το 1906, καθώς αποκάλυψε τη δομή του εγκεφάλου και του υπόλοιπου νευρικού συστήματος, αποδεικνύοντας ότι αποτελούνται από διακριτούς τύπους νευρώνων. Μέρος της πρωτοποριακής έρευνάς του επικεντρώθηκε στο ραβδωτό σώμα, τη μεγαλύτερη δομή των βασικών γαγγλίων.

«Τα βασικά γάγγλια αποτελούν μια σύνθετη περιοχή του εγκεφάλου, με εξαιρετικά περίπλοκα νευρωνικά κυκλώματα, τα οποία εξακολουθούμε να μην κατανοούμε επαρκώς», αναφέρει ο Γιούστε σε γραπτή δήλωσή του.

Όπως εξηγεί, παρά την πολυπλοκότητά τους, διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στη συμπεριφορά μας, καθώς ενδέχεται να επιλέγουν τις ενέργειες που θέλουμε να πραγματοποιήσουμε και να καταστέλλουν άλλες, ενώ παράλληλα συμβάλλουν στη ρύθμιση της συμπεριφοράς μέσω της μεταφοράς ντοπαμίνης σε άλλες περιοχές του εγκεφάλου.

Από την πλευρά της, η βιολόγος Άνα Μπελέν Μουνιόθ Μαντσάδο, από το Πανεπιστήμιο του Κάντιθ στην Ισπανία, επισημαίνει μιλώντας στην El Pais, ότι τα βασικά γάγγλια αποτελούν μία από τις περιοχές όπου η νευρολογία και η ψυχιατρική, δύο επιστημονικά πεδία που συνήθως αντιμετωπίζονται ξεχωριστά, αποδεικνύεται ότι μελετούν ουσιαστικά το ίδιο νευρωνικό κύκλωμα.

Όπως σημειώνει, η αξία του νέου άτλαντα δεν περιορίζεται στην καταγραφή των κυττάρων, όσο σημαντική κι αν είναι αυτή, αλλά επεκτείνεται και στη δημιουργία μιας κοινής επιστημονικής υποδομής.

Μέχρι σήμερα, κάθε ερευνητικό εργαστήριο χρησιμοποιούσε συχνά διαφορετικές ονομασίες για τους ίδιους τύπους κυττάρων, γεγονός που δυσκόλευε σημαντικά τη σύγκριση των επιστημονικών αποτελεσμάτων.

Ο νέος άτλαντας καθιερώνει μια κοινή επιστημονική γλώσσα, καθώς ο ίδιος τύπος κυττάρου αποκτά την ίδια ονομασία είτε εντοπίζεται στον άνθρωπο είτε στους μακάκους, στους μαρμοζέτες ή στα ποντίκια.

Παράλληλα, παρέχει πολλαπλά επίπεδα πληροφοριών για κάθε κυτταρικό τύπο, διευκολύνοντας το έργο άλλων ερευνητικών ομάδων.

«Για πρώτη φορά βρισκόμαστε σε μια εποχή κατά την οποία διαθέτουμε την τεχνολογία και τα εργαλεία που μπορούν να δώσουν απαντήσεις σε ερωτήματα για το νευρικό σύστημα, τα οποία παραμένουν αναπάντητα εδώ και δεκαετίες», καταλήγει η Μουνιόθ Μαντσάδο.