Polak współtwórcą narzędzia. Dzięki temu odkryto nowe rodzaje fal mózgowych

Dzięki nowemu narzędziu badacze odkryli nowe rodzaje fal mózgowych. Daje to nadzieję na zrozumienie chorób takich jak epilepsja czy choroba Alzheimera, a także otwierają drogę do rozwoju sztucznej inteligencji inspirowanej biologią.

Aktywność elektryczna naszych mózgów może przypominać fale rozprzestrzeniające się po jeziorze. Po raz pierwszy dostrzeżono je w latach 20. ubiegłego wieku. Były one obserwowane jako oscylacje, a nie propagujące się fale. Ograniczone dowody na temat tego, że fale mózgowe się propagują, zaczęły powstawać tak naprawdę w ostatnich dwóch dekadach. Istnieją różne rodzaje fal mózgowych. Oznaczane są za pomocą liter alfabetu greckiego, a ich charakterystycznym częstotliwościom odpowiadają różne stany świadomości, jak czuwanie czy sen.

Dzięki naukowcom z Uniwersytetu Stanforda można je teraz obserwować wyraźniej niż kiedykolwiek wcześniej. Publikacja, której jednym z głównych autorów jest dr Radosław Chrapkiewicz, ukazała się online na łamach prestiżowego pisma "Cell". Badania wkrótce ukażą się też drukiem i trafią na okładkę pisma.

Nowa technologia wykorzystuje dwa ultraczułe instrumenty optyczne, które mogą wykrywać sygnały genetycznie kodowanych białek, ujawniając aktywność fal mózgowych u myszy. Korzystając z tych instrumentów, naukowcy odkryli trzy nowe rodzaje fal mózgowych poruszających się w sposób nigdy wcześniej nieobserwowany.

– Opracowaliśmy dwie przełomowe, ultrasensytywne neurotechnologie optyczne (system TEMPO – z j. ang. Trans-membrane Electrical Measurements Performed Optically’), które rejestrują dynamikę napięcia elektrycznego neuronów w dużych obszarach mózgu, przewyższając dotychczas dostępne metody o rzędy wielkości w wielu kluczowych parametrach.

Wykorzystując te narzędzia, odkryliśmy trzy nieznane wcześniej, wielkoskalowe, propagujące się fale mózgowe. Dla perspektywy, ostatnie szeroko akceptowane rozszerzenie klasyfikacji fal mózgowych — hipokampalne "sharp-wave ripples" — opisano w 1992 roku – przyznał dla Dziennika Naukowego dr Radosław Chrapkiewicz.

– Uzyskujemy bardzo szeroki obraz fal rozchodzących się w mózgu. Możemy obserwować wiele obszarów mózgu jednocześnie i patrzeć, jak fale mózgowe przemieszczają się przez korę mózgową, najbardziej zewnętrzną warstwę tkanki nerwowej mózgu, ze specyficznością dla poszczególnych typów komórek – powiedział Mark J. Schnitzer z Uniwersytetu Stanforda.

W przeciwieństwie do elektrod, które wykorzystują energię elektryczną do wykrywania poszczególnych punktów aktywności mózgu, instrumenty opracowane przez badaczy z Uniwersytetu Stanforda wykorzystują optykę, technologię opartą na świetle, do obrazowania fal mózgowych w czasie rzeczywistym. Mogą one również skupić się na falach powiązanych z jednym lub dwoma określonymi typami neuronów.

Naukowcy próbują zrozumieć fale mózgowe od czasu ich pierwszej identyfikacji u ludzi ponad sto lat temu przez niemieckiego lekarza Hansa Bergera. Obecnie wiadomo, że nieprawidłowości obserwowane w falach mózgowych są związane z różnymi chorobami, w tym chorobą Parkinsona, chorobą Alzheimera, epilepsją czy schizofrenią. Ale rozróżnienie, które typy neuronów napędzają poszczególne rodzaje fal, jest trudne.

Nowe badania mogą pomóc w rozwiązaniu tego problemu. Są one efektem ponad dekady prac nad technikami optycznymi zwanymi TEMPO, które po raz pierwszy opisano w publikacji z 2016 roku. Jej autorami byli m.in. Mark J. Schnitzer oraz Michael Z. Lin, którzy są również autorami nowego badania. Współautorem nowej publikacji jest też György Buzsáki – światowy autorytet w zakresie fal mózgowych, odkrywca wspomnianych wcześniej hipokampalnych "sharp-wave ripples". Odegrał on kluczową rolę w walidacji wyników z klasycznymi technologiami oraz interpretacją nowych odkryć.

W niedawnej publikacji naukowcy opisali zastosowanie dwóch nowych, uzupełniających się instrumentów techniki TEMPO polegających na połączeniu nowatorskich technologii optycznych i genetycznych. Pierwszy opiera się na technologiach laserowych i światłowodach bezpośrednio implantowanych do mózgu, umożliwiających zdalne monitorowanie aktywność elektrycznej w mózgach myszy podczas ich codziennych czynności.

Drugi, stworzony przez dr Radosława Chrapkiewicza, to mezoskop optyczny, który może zapewnić obraz mózgu o szerokości 8 mm i pokazać aktywność neuronalną w większości kory nowej w mózgu myszy – obszaru mózgu odpowiedzialnego za funkcje wysokiego poziomu, takie jak percepcja i poznanie.

To właśnie ten drugi instrument pozwolił naukowcom zaobserwować kilka fal, których nigdy wcześniej nie zarejestrowano, w tym dwa rodzaje fal beta, które biegną pod kątem prostym względem siebie. Fale beta to fale związane z aktywnością umysłową i percepcją zmysłową. Badacze odkryli również falę theta, która biegła nie tylko w jednym kierunku, ale także wstecz.

Chociaż nie wiadomo jeszcze, co może oznaczać ta nowa fala, badacze sądzą, że fala theta może podlegać "propagacji wstecznej", podobnej do mechanizmu uczenia się wykorzystywanego przez modele sztucznej inteligencji. Naukowcy zobrazowali również po raz pierwszy propagujące się fale gamma, stochastycznie zmieniające kierunki rozchodzenia się.

– Wydaje się, że mózg posiada wewnętrzny zegar, który synchronizuje aktywność neuronalną, ale te fale wędrujące mogą również aktywnie reorganizować obwody neuronalne na duże odległości, wykraczające poza połączenia lokalne. Może to odegrać ważną rolę w dalszych modelach sztucznej inteligencji inspirowanych biologią – wyjaśnił dr Radosław Chrapkiewicz dyrektor ds. inżynierii w laboratorium Schnitzera.

Nowo opracowane narzędzia mogą pomóc w lepszym zrozumieniu chorób neurologicznych. Jak przyznał dr Chrapkiewicz, fale mózgowe można traktować jako biomarkery. – W naszym przypadku mamy możliwość selektywnego i unikatowego rejestrowania fal mózgowych generowanych przez określone typy komórek czy podzespoły sieci neuronowych, na przykład te, które targetujemy w ramach terapii.

Tego typu możliwość jest unikatowa dla TEMPO – połączenia metod optycznych i genetycznych, natomiast wnioski wypływające z tego typu pomiarów, przynajmniej z kory nowej, będzie dało się przenieść na obserwacje u ludzi przy zastosowaniu technik takich jak EEG czy MEG – zaznaczył badacz.

Badania były co prawda prowadzone na gryzoniach, ale naukowcy sądzą, że nowo odkryte fale powinny występować też u ludzi. – Przypuszczamy, że u ludzi, jak i ogólnie u innych ssaków, powinny występować podobne typy fal, ale badania w ludzkim hipokampie będą znacznie trudniejsze ze względu na jego głębokie położenie i konieczność zastosowania bardzo inwazyjnych technik, usprawiedliwionych tylko na przykład przy okazji leczenia i operacji mózgu.

Nie mniej jednak mocno wierzymy w fundamentalne mechanizmy translacyjne, czyli przełożenie się wyników wyprowadzonych na modelach zwierzęcych do tego, co można odkryć i zastosować na ludziach – wyjaśnił dla Dziennika Naukowego dr Radosław Chrapkiewicz.

Potrzebne są dalsze badania, aby zrozumieć implikacje tych odkryć, ale nowa technologia prawdopodobnie otworzy wiele możliwości dla neuronauki, a także rozwoju sztucznej inteligencji.

Twórz treści i zarabiaj na ich publikacji. Dołącz do WP Kreatora