Creierul uman a fost descris uneori ca fiind "cel mai complex obiect din universul cunoscut", care cuprinde zeci de miliarde de fibre nervoase interconectate de o manieră care, aparent, duce cu gândul la imaginea unui castron plin cu spaghete.
Însă dacă o echipă condusă de Van Wedeen de la Spitalul General Massachusetts din Boston are dreptate, această complexitate uimitoare este formată pe o structură de bază uimitor de simplă, scoasă la iveală folosind Imagistica prin Rezonanţă Magnetică (IRM). Dacă îi îndreptaţi faldurile, argumentează dr. Wedeen, în realitate organizarea celulelor nervoase din creier este ca o reţea de fibre tridimensională.
Este o idee măreaţă care ar putea ajuta la dezlegarea misterelor dezvoltării şi evoluţiei creierului şi la stabilirea unor conexiuni între tulburările neurologice şi psihice şi anomaliile prezente în structura creierului. "Am fost imediat intrigat de ideea existenţei unei reguli după care sunt realizate conexiunile creierului", spune dr. Olaf Sporns, un cercetător în domeniul neuroştiinţelor specializat pe procesele cognitive, de la Universitatea Indiana din Bloomington.
Chiar a descoperit dr. Wedeen împreună cu colegii săi principiul fundamental de organizare al creierului sau, poate, reţeaua lor reprezintă o parte a unei geometrii mult mai complexe? "Din punctul meu de vedere, informaţiile de care dispunem sunt incomplete şi hotărârea definitivă nu a fost încă luată", spune David Van Essen de la Universitatea Washington din St Louis, Missouri, unul dintre liderii Proiectului Human Connectome, care intenționează să realizeze o hartă mult mai amănunţită a conexiunilor neurale de la nivelul creierului.
Cuantificarea difuziei apei
De ani de zile, experţii implicaţi în cartografierea cerebrală au folosit o tehnică numită imagistica difuziei Tensor (cunoscută şi sub numele de imagistica prin tensor de difuzie), care urmăreşte modul în care apa difuzează în ţesutul biologic, urmărind traiectele fibrelor nervoase în interiorul creierului şi permiţând vizualizarea modului în care o regiune se conectează cu cealaltă.
Metoda de investigaţie utilizată de Wedeen numită difuzie spectrală RMN este una înrudită. Aceasta cartografiază, de asemenea, fibrele nervoase prin urmărirea deplasării moleculelor de apă, dar este mai precisă în special în evidenţierea locurilor în care se intersectează aceşti neuroni.
În studiile realizate pe oameni şi alte primate, difuzia spectrală RMN a dezvăluit faptul că fibrele sunt aşezate în paralel şi în şiruri care se întrepătrund la 90 de grade, întocmai ca o ţesătură.. Aceste şiruri sunt la rândul lor dispuse perpendicular unul pe celălalt, ceea ce rezultă fiind o reţea tridimensională.
Reţeaua este mai evidentă în cazul primatelor inferioare, una dintre acestea fiind maimuţa Galago. Pe măsură ce ne deplasăm spre niveluri superioare pe scara evoluţiei primatelor se observă tot mai multe întrepătrunderi şi curbe între planuri, dar structura de bază, de tip grilaj, este în continuare prezentă.
Direcţii evolutive
O astfel de dispunere poate explica modalitatea în care se structurează creierul, pas cu pas. Orientarea reţelei corespunde axelor sus-jos, stânga-dreapta şi înainte-înapoi, existente încă din cele mai timpurii etape de dezvoltare embrionară. Această orientare permite neuronilor să crească în direcţia potrivită, urmând câteva reguli simple de dezvoltare, controlate prin intermediul semnalelor biochimice – la fel cum reţeaua stradală din New York facilitează îndrumarea unei persoane către destinaţia dorită.
Reţeaua poate fi utilă, de asemenea, pentru dezlegarea misterului care se ascunde în spatele evoluţiei complexe a creierului. Dacă creierul ar fi organizat asemenea conţinutului unei farfurii cu spaghete, spune Wedeen, ar fi dificil să remarcăm modul în care mutaţiile ar putea conduce la modificări progresive ale conexiunilor, asupra cărora ar putea acţiona selecţia naturală.
"Încercaţi să mergeţi în subsolul dumneavoastră şi să recablaţi propria casă la întâmplare", spune Wedeen. "Într-o structură de reţea, este mult mai uşor să-ţi imaginezi schimbări ale codului de dezvoltare care determină modificări ale comportamentului de adaptare." În mod similar, o reţea gata reconectată ajută la explicarea modului în care oamenii sunt capabili de a se recupera în urma unor leziuni cerebrale şi de a face conexiuni noi, pentru a recâştiga funcţiile pierdute.
O astfel de reţea tridimensională ar oferi un sistem de coordonate care să permită standardizarea studiilor pe tema legăturilor dintre anomaliile anatomiei creierului şi unele afecţiuni neurologice şi psihiatrice. Aceste studii sunt îngreunate de variaţia naturală mare de la o persoană la alta, ceea ce face dificilă suprapunerea scanărilor creierului pentru a descoperi diferenţele cheie ale structurilor specifice.
Pe termen lung, aceasta poate ajuta, de asemenea, cercetătorii care se străduiesc să crească grefe de ţesut pentru a vindeca leziuni cerebrale sau pentru a trata boli neurodegenerative. Teoretic, cultivarea de ţesut pe o construcţie care imită structura unei reţele ar trebui să ajute la formarea unor conexiuni cu creierul după ce la nivelul acestuia au fost aplicate grefe.
Joncţiunile între spaghete
Reţeaua este o idee atractivă pentru mulţi cercetători din domeniul neurologiei, dar unii se îndoiesc că aceasta este întreaga poveste. "Ceea ce mă îngrijorează este ca ei să nu fi fost prea optimişti în privinţa posibilităţii aplicării acestui lucru în viitor la nivelul întregului creier şi să nu fi supra-simplificat şi supra-generalizat acest aspect", spune Van Essen. El crede că la nivelul creierului ar fi prezente de asemenea fibre care se încrucişează în alte direcţii.
Problema este că imagistica de difuzie RMN nu poate detecta fibrele nervoase în mod direct. "Acesta nu este un microscop", spune Marsel Mesulam de la Universitatea Northwestern din Chicago, care studiază modul în care reţelele neurale sunt afectate de demenţă şi alte tulburări cognitive.
"Ne uităm la imaginile reconstruite, bazate pe deplasarea moleculelor de apă într-un câmp magnetic." Acest lucru înseamnă că modificarea setării aparatului sau în analiza datelor ar putea altera imaginile vizualizate.
Marco Catani, specialist în imagistica de difuzie RMN de la Institutul de Psihiatrie Kings College din Londra, susţine că este foarte probabil ca metoda Wedeen să fi omis prezenţa unor încrucişări ale fibrelor la unghiuri mai mici de aproximativ 70 de grade. Catani susţine că echipa sa a remarcat astfel de fibre folosind o altă tehnică de imagistică de difuzie.
Pe de altă parte, Wedeen este de neînduplecat când vine vorba de faptul că echipa lui ar fi remarcat existenţa unor fibre încrucişate la unghiuri puţin mai ascuţite, dacă acestea ar fi fost prezente. El adaugă faptul că o a doua tehnică de imagistică de difuzie a condus la rezultate similare.
Cine are dreptate? În timp ce neurologii încearcă să răspundă la această întrebare, aşteptăm valul următor de studii care să utilizeze metode diferite - inclusiv examinarea microscopică minuţioasă a anatomiei creierului.
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Human brain organised like a 3D 'New York City' grid, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Ecaterina Pavel
