O provocare veche de decenii în domeniul neuroștiinței a fost rezolvată prin valorificarea inteligenței artificiale (AI) pentru a identifica, pentru prima dată, semnăturile electrice ale diferitelor tipuri de celule cerebrale, în cadrul unui studiu realizat pe șoareci de către cercetători de la UCL.
Creierul este alcătuit din numeroase tipuri de neuroni (celule nervoase ale creierului), fiecare dintre aceștia având, se presupune, roluri diferite în procesarea informației. Oamenii de știință au putut, de multă vreme, să folosească electrozi pentru a înregistra activitatea neuronilor, detectând „impulsurile” electrice generate de aceștia în timpul funcționării creierului, potrivit news-medical.
Deși înregistrarea acestor impulsuri s-a dovedit extrem de valoroasă pentru monitorizarea activității neuronilor individuali din profunzimea creierului, până acum metoda era „oarbă” la tipul de neuron înregistrat – ceea ce făcea imposibilă identificarea modului în care neuronii diferiți contribuie la funcționarea generală a creierului.
Într-un nou studiu, publicat în revista Cell, echipa de cercetători a depășit această problemă prin identificarea „semnăturilor electrice” distincte ale diferitelor tipuri de neuroni din creierul șoarecilor, folosind impulsuri scurte de lumină albastră pentru a declanșa impulsuri electrice în anumite tipuri de celule (o metodă numită optogenetică).
Ei au creat o bibliotecă a semnăturilor electrice pentru fiecare tip de neuron, ceea ce le-a permis să antreneze un algoritm de inteligență artificială capabil să recunoască automat cinci tipuri diferite de neuroni cu o acuratețe de 95%, fără a mai fi nevoie de instrumente genetice. Algoritmul a fost validat și pe date de înregistrare cerebrală de la maimuțe.
Cercetătorii spun că au depășit un obstacol major în utilizarea acestei tehnologii pentru studierea afecțiunilor neurologice, precum epilepsia, însă subliniază că mai este „un drum lung” de parcurs până când va putea fi aplicată în practică.
Autorii afirmă că faptul că algoritmul poate fi aplicat la specii diferite îi conferă un potențial uriaș de a fi extins la alte animale și, în cele din urmă, la oameni.
Pe termen scurt, noua tehnică înseamnă că, în loc să fie necesară ingineria genetică complexă pentru a studia creierul, cercetătorii ar putea folosi orice animal obișnuit pentru a analiza ce fac diferitele tipuri de neuroni și cum interacționează între ei pentru a genera comportamente.
Unul dintre obiectivele finale este acela de a putea studia tulburările neurologice și neuropsihiatrice, precum epilepsia, autismul și demența, dintre care multe se consideră că implică modificări în modul în care diferitele tipuri de celule din creier interacționează între ele.
Profesoara Beverley Clark, autoare principală a studiului de la UCL Wolfson Institute for Biomedical Research, a declarat:
„Așa cum numeroase instrumente dintr-o orchestră contribuie la sunetul unei simfonii, creierul se bazează pe mai multe tipuri distincte de neuroni pentru a genera comportamentele complexe pe care le manifestă oamenii și alte animale. Munca noastră este analogă cu învățarea sunetului produs de fiecare instrument și apoi predarea acestor sunete unui algoritm care poate recunoaște contribuția fiecăruia la simfonie.
A putea observa această ‘simfonie neuronală’ a creierului în acțiune a fost o provocare fundamentală în neuroștiință de peste 100 de ani, iar acum avem o metodă fiabilă de a face acest lucru.
Deși mai este un drum lung până când tehnologia va putea fi folosită pentru a studia afecțiuni neurologice precum epilepsia, am depășit un obstacol major în atingerea acestui obiectiv. De fapt, unele înregistrări ale activității creierului uman viu au fost deja realizate la pacienți în timpul intervențiilor chirurgicale, iar tehnica noastră ar putea fi folosită pentru a analiza aceste înregistrări și a înțelege mai bine cum funcționează creierul nostru, mai întâi în starea de sănătate, apoi în boală.”
O înțelegere îmbunătățită a modului în care funcționează creierul nostru ar putea deschide calea către progrese revoluționare în știința medicală, unele dintre acestea fiind deja la orizont.
Interfețele creier-calculator sau implanturile neuronale reprezintă o astfel de posibilitate. Cercetări în curs de desfășurare la UCSF Weill Institute for Neurosciences, de exemplu, au permis unui bărbat paralizat să controleze un braț robotic folosind un implant neural timp de un record de șapte luni. La fel ca studiul actual, această lucrare s-a bazat pe studiul tiparelor electrice din creierul animalelor și pe utilizarea inteligenței artificiale pentru a recunoaște automat aceste tipare.
Autorii spun că noua tehnică de diferențiere a tipurilor de neuroni ar putea ajuta la îmbunătățirea implanturilor neuronale prin înregistrarea mai precisă a tipurilor de celule implicate în anumite acțiuni, astfel încât implantul să poată recunoaște mai ușor semnalele specifice și să genereze răspunsul corespunzător.
Cheia acestei tehnologii constă în înțelegerea modului în care funcționează creierul atunci când este sănătos, astfel încât orice deteriorare să poată fi compensată. Dacă, de exemplu, o persoană ar suferi un accident vascular cerebral și o parte a creierului ar fi afectată, ar fi necesar să înțelegem cum funcționa acea regiune înainte de a putea lua în considerare proiectarea unui implant care să-i reproducă funcția.
Profesorul Michael Häusser, coautor principal al studiului de la UCL Division of Medicine și Universitatea din Hong Kong, a declarat:
„Acest proiect a prins viață datorită convergenței a trei inovații esențiale: utilizarea biologiei moleculare pentru a ‘marca’ cu succes diferite tipuri de neuroni folosind lumină, dezvoltările în tehnologia de înregistrare cu sonde din siliciu și, desigur, îmbunătățirile rapide în învățarea profundă.
Crucială a fost sinergia din echipa noastră. Laboratoarele partenere de la UCL, Baylor, Duke și Universitatea Bar Ilan au contribuit cu piese esențiale ale acestui puzzle. La fel ca în cazul creierului, întregul este mai mare decât suma părților sale.”
