Potężne narzędzie do walki z schizofrenią. Emulator mózgu kamieniem milowym w rozwoju psychiatrii
Z przypadku powstało wiele wielkich odkryć - penicylina, badanie RTG, teflon. Zgodnie z deklaracjami naukowców, do tej listy w przyszłości będziemy mogli dopisać MoNNet - metodę emulacji mózgu. Choć Modułowe Sieci Neuronowe jeszcze nie opuściły laboratorium, uczeni z Uniwersytetu Columbia już teraz widzą w nich przyszłość neurologii i psychiatrii.
Psychiatria to wciąż jeden z najbardziej tajemniczych obszarów medycyny. Naukowcy i psychiatrzy w rozwikłaniu wielu zagadek tej dziedziny upatrują właśnie w ludzkim mózgu. Jednak bariery etyczne i biologiczne uniemożliwiają diagnostykę z perspektywy neurologicznej. Nadzieję daje im jednak metoda "emulacji mózgu" autorstwa uczonych z Uniwersytetu Columbia - MoNNet.
Choć MoNNet ma potencjał do przetarcia szlaków w dziedzinie psychiatrii, zdaniem uczonych, ma całkiem niepozorny i przypadkowy początek.
Pewnego dnia w 2017 roku doktor Angeles Rabadan, neurobiolog z Wydziału Nauk Biologicznych Uniwersytetu Columbia opuściła na cały dzień laboratorium doktora Raju Tomera na Uniwersytecie Columbia. Jednakże zamykając laboratorium, nie schowała ona probówki zawierającej roztwór pełen komórek. Gdy następnego dnia Rabadan wróciła do laboratorium, była w niemałym szoku odkrywając co przez dzień poza specjalnym inkubatorem wytworzyło się w naczyniu
"W probówce utworzyły się maleńkie kuleczki i widać było, że coś je łączy"
Jak się okazało, resztki komórek mózgowych pozostałych w probówce połączyły się w ciągu nocy w maleńkie sfery neuronowe.
Co więcej, sferoidy te spontanicznie połączyły się w sieć. Kiedy Rabadan pokazała doktorowi Tomerowi dane ze wstępnych testów sieci, naukowiec był w stanie dostrzec pomiędzy częściami sygnały podobne do tych, które wysyłane są przez mózg. Uświadomiło mu to, że sieci te mogą stać się nowymi i wartościowymi narzędziami badawczymi dla dziedziny, jaką jest neuronauka. Naukowcy nazwali te wyhodowane w laboratorium rekonstrukcje zespołów komórek podobnych do mózgu Modułowymi Sieciami Neuronowymi lub - dla uproszczenia - MoNNetami (ang. Modular Neural Networks/MoNNets).
Nowo opublikowane badanie na łamach czasopisma Nature Communications garściami czerpie z przypadkowego odkrycia doktor Rabadan i z osiągnięcia jakim są MoNNety.
"Przez dziesiątki lat postęp w leczeniu zaburzeń psychiatrycznych był bardzo niewielki, MoNNety mogą być tu bardzo pomocne, ponieważ dobrze nadają się zarówno do odkrywania biologicznych podstaw zaburzeń neurologicznych i neuropsychiatrycznych, jak i do skutecznej weryfikacji setek czy tysięcy możliwych terapii farmakologicznych." - powiedział doktor Joseph Gogos, jeden z autorów nowo opublikowanego badania
MoNNety to bezcenne narzędzie dla naukowców
MoNNety są swego rodzaju wariacją utrwalonego już schematu laboratoryjnego, według którego uczeni hodują organoidy - trójwymiarowe, mikroskopijne wersje tkanek i organów, nie większe niż ziarnko grochu. Do wyhodowania organoidów naukowcy używają komórek prekursorowych oraz komórek macierzystych, które dzięki odpowiedniemu traktowaniu są w stanie rozwinąć się w różne typy komórek, odpowiednie dla poszczególnych narządów.
Organoidy okazały się być potężnym narzędziem do badania takich organów jak serce i wątroba. Jeśli jednak chodzi o mózg, organoidy nie były już tak efektywne. Brakowało im aktywności sieciowej, która pozwala różnym regionom w rzeczywistej tkance mózgowej na komunikację.
Zdaniem uczonych, dzięki indywidualnemu charakterowi sferoidów MoNNet - trójwymiarowych skupisk komórek, które mogą naśladować tkanki i mikroguzki, oraz możliwości komunikacji w całym systemie, MoNNet jest w stanie odtworzyć dynamikę podobną do tej, którą uczeni obserwują w mózgu.
"MoNNety wychwytują więcej tej aktywności sieciowej, dlatego uważamy, że pokonają ograniczenia organoidów i staną się lepszymi modelami 3D dla tkanki mózgowej."
MoNNety pozwalają na lepsze zrozumienie schizofrenii
MoNNety są przydatne nie tylko do symulacji zdrowych mózgów, ale także do emulacji chorych. W pracy opublikowanej w Nature Communications badacze wyhodowali MoNNety z komórek mózgowych myszy posiadających warianty genów powiązanych bezpośrednio ze schizofrenią. Powstałe MoNNety wykazywały normalną lokalną komunikację między komórkami w obrębie sferoidów, ale słabą koordynację sygnalizacji w całej sieci.
Według doktora Tomera owa zgodność między badaniami laboratoryjnymi a przebiegiem choroby sugeruje, że MoNNety, składające się z kilku milionów komórek, mogą naśladować przynajmniej niektóre cechy komórek i obwodów neuronowych w mózgach pacjentów ze schizofrenią, składających się z dziesiątek miliardów komórek.
Jednocześnie te same MoNNety ucieleśniają inny biologiczny objaw schizofrenii w obwodach mózgowych. Ich struktury sieciowe i zachowania sygnalizacyjne są mniej stabilne w porównaniu do MoNNetów wyhodowanych z komórek mózgowych pozbawionych genów schizofrenii.
MoNNet przeciera szlaki dla badań nad zaburzeniami neurologicznymi
Zespół doktora Tomera i doktor Rabadan podjął już kroki w kierunku dostosowania MoNNetów do badania innych zaburzeń neurologicznych, w tym epilepsji i choroby Parkinsona. Dr Tomer przewiduje ostatecznie opracowanie zestawu MoNNetów dostosowanych indywidualnie do każdego schorzenia.
Zgodnie ze słowami uczonych, posiadanie zestawu danych dotyczących tego jak poszczególne geny wpływają na mózg, pozwoliłoby na otwarcie drogi do bardziej precyzyjnych diagnoz i lepszego dostosowania procesu leczenia do choroby.
"Moglibyśmy pozyskać dane z tych różnych modeli chorób, a następnie użyć narzędzi do analizy danych i uczenia maszynowego, aby dowiedzieć się, co jest biologicznie unikalne dla każdej z tych chorób. W systematyczny sposób moglibyśmy modelować setki mutacji genetycznych, które są powiązane z tymi chorobami i używać MoNNet, aby dowiedzieć się, jak poszczególne geny wpływają na obwody mózgowe i kondycję."
