Allan Jones: O hartă a creierului

Oamenii sunt de multă vreme fascinaţi de creierul uman. L-am reprezentat, l-am descris, l-am desenat, i-am făcut harta. La fel ca hărţile fizice ale lumii influenţate mult de tehnologie -- gândiţi-vă la hărţile Google, la GPS -- la fel se întâmplă şi cu reprezentarea creierului, o adevărată transformare.

Să aruncăm o privire asupra creierului. Cei mai mulţi când văd prima oară un creier uman proaspăt, spun: "Nu seamănă cu ce vezi în mod obişnuit când cineva îţi arată un creier." Tipic, vedeți un material didactic. E gri. Acest strat exterior, vascularizația, în jurul creierului uman e incredibilă. Acestea sunt vasele de sânge. 20% din oxigenul care vine de la plămâni, 20% din sângele pompat de inimă deserveşte doar acest organ, deși, dacă ții pumnii unul lângă altul, creierul e doar cu puțin mai mare.

Cercetătorii, pe la sfârşitul secolului 20, au realizat că pot măsura fluxul sangvin pentru a localiza non-invaziv unde se activează creierul uman. Astfel, de exemplu, în partea posterioară a creierului, care se roteşte acum, iată cerebelul, care ne menţine în poziţie verticală. Mă ţine în picioare. E implicat în mişcarea coordonată. Pe latura asta e cortexul temporal, zona unde are loc procesarea auditivă primară. Când auziţi cuvintele mele, le trimiteţi mai departe la centrele superioare de procesare limbaj. Partea frontală a creierului locul unde au loc procesele cognitive complexe, luarea deciziilor, se dezvoltă doar la maturitate. Aici au loc toate procesele de luare de decizii. E locul unde decideţi chiar acum că probabil nu veţi comanda friptură la cină.

Aşa că dacă vă uitaţi cu atenţie la creier, daca vă uitaţi în secţiune transversală, observați că nu se vede ceva bine structurat acolo. În realitate există o structură complexă acolo. Sunt celule și conexiuni, toate coordonate într-o rețea. Acum vreo sută de ani s-a inventat un reactiv care marchează celulele. E arătat aici în bleu deschis. Vedeţi zone în care celulele normale sunt marcate. Iar ce vedeţi e foarte neuniform. Vedeţi mult mai multă structurare acum. Partea exterioară a creierului este neocortexul. E o unitate de procesare continuă, dacă doriţi. Dar puteţi vedea şi dedesubt ceva. Toate aceste porţiuni goale sunt zonele prin care trec conexiunile. Au probabil o densitate mai mică a celulelor. Sunt aprox. 86 miliarde neuroni în creierul nostru. Şi după cum vedeţi, sunt distribuiţi neuniform. Felul cum sunt distribuiţi contribuie într-adevăr la funcţia lor de bază. Şi, bineînţeles, cum am menţionat înainte, acum putem începe să mapăm funcţiile creierului putem începe să le legăm de celulele individuale.

Deci hai să ne uităm în profunzime. Să ne uităm la neuroni. După cum am menţionat există 86 miliarde de neuroni. Mai sunt şi aceste celule mai mici, veţi vedea. Sunt celule de susţinere -- astrocite glia. Iar nervii înşişi sunt cei care primesc input. Îl depozitează, îl procesează. Fiecare neuron e conectat prin sinapse de alți 10.000 de neuroni din creierul dvs. Iar fiecare neuron în sine este, în mare măsură, unic. Caracterul unic al neuronilor individuali cât şi al neuronilor din formaţiunile creierului e determinat de proprietăţi biochimice fundamentale care le stau la bază. Acestea sunt proteine, care, de exemplu, controlează transferul direcționat al ionilor. Controlează cu cine fac pereche celulele sistemului nervos. Şi controlează, în principiu, tot ce trebuie să facă sistemul nervos.

Astfel, analizând în profunzime, toate acele proteine sunt codificate de genomul nostru. Avem fiecare câte 23 perechi de cromozomi. Unul de la mama, unul de la tata. Şi pe aceşti cromozomi se află aprox. 25.000 de gene. Ele sunt codificate în ADN. Natura unei anumite celule care-i dirijează procesele biochimice intrinseci e dictată de care anume din aceste 25.000 de gene sunt activate şi la ce nivel sunt activate.

Astfel proiectul nostru caută să descifreze această translatare, să identifice care din aceste 25.000 de gene e activată. Pentru a întreprinde un astfel de proiect evident avem nevoie de creiere. Aşa că l-am trimis pe laborantul nostru să caute. Ne interesau creiere umane normale. Începem cu laboratorul de autopsie. Aici sunt aduşi decedații. Ne interesează creiere umane normale. Sunt multe criterii după care selectăm aceste creiere. Vrem să fim siguri că avem exemplare între vârstele 20 şi 60 de ani, care au murit de o moarte oarecum naturală lăsând creierul intact, care n-au suferit de afecţiuni psihice, n-au luat droguri-- efectuăm o analiză toxicologică. Şi suntem foarte atenţi cu creierele pe care le luăm. De asemenea selectăm creiere din care putem preleva ţesut, pentru care putem obţine acordul în interval de 24 h de la deces. Pentru că încercăm să măsurăm ARN-ul, care e citirea informaţiei din genele noastre -- E foarte instabil, aşa că trebuie să ne mişcăm rapid.

O observaţie despre colectarea creierelor: din cauza modului în care le obținem şi pentru că avem nevoie de consimţământ, avem mult mai multe creiere de bărbaţi decât de femei. Bărbaţii sunt mult mai predispuşi să moară în accidente în floarea vârstei. Şi e mult mai probabil ca partenerele, soţiile lor să îşi dea consimţământul decât invers.

(Râsete)

Aşa că primul lucru pe care îl facem la locul recoltării e să luăm un RMN. E o imagine prin rezonanţă magnetică nucleară, RMN. E referința standard în care introducem restul datelor. Obținem această imagine RMN. Imaginați-o ca pe o perspectivă din satelit a hărţii noastre. Următorul lucru pe care-l facem colectăm ceva ce se numeşte imagistică cu tensor de difuzie. Această hartă redă conexiunile majore din creier. Şi, din nou, puteţi s-o asociați cu trasarea magistralelor interstatale, dacă doriţi. Creierul e scos din craniu, şi apoi e feliat în felii de 1 cm. Acestea se solidifică prin îngheţare şi se trimit la Seattle. Iar în Seattle le luăm -- asta e o emisferă umană întreagă -- şi le punem în ceva ca un feliator de carne. O lamă aici va preleva o secţiune de ţesut şi o va transfera pe o lamelă de microscop. Apoi aplicăm un marcator şi o scanăm. Iar ce obţinem e prima noastră hartă.

Aici intervin experţii care fac atribuirile anatomice de bază. Le puteți asocia cu graniţele dintre state, aceste demarcări îngroşate. De aici fragmentăm creierul în bucăţi mai mici, pe care le punem pe un criostat mai mic. Chiar asta e arătat aici -- acest ţesut îngheţat, care se taie. Are o grosime de 20 microni, cât firul părului de bebeluş. Şi reţineţi, e îngheţat. Vedeți aici cum se aplică vechea tehnologie a pensulei de vopsea. Luăm o lamelă de microscop. Apoi, cu mare grijă o topim pe lamelă. Aceasta merge apoi pe un robot care aplică un marcator pe ea. Anatomiştii noştri se uită apoi mai cu atenţie.

Din nou, asta văd ei la microscop. Vedeţi colecţii şi configuraţii de celule mari şi mici în clustere în diferite locuri. De aici încolo e rutină. Știu unde să facă asignările. Alcătuiesc un fel de atlas de referinţă. Asta e o hartă mai detaliată.

Cercetătorii noştri o folosesc apoi pentru a scana o altă bucată din acel ţesut efectuând o microdisecţie cu laser. Tehnicianul ia instrucţiunile, delimitează o porțiune iar laserul decupează efectiv. Vedeţi cum taie punctul albastru. Țesutul se desprinde. Vedeţi pe lamela de microscop, asta se întâmplă în timp real. Dedesubt e un container care colectează ţesutul. Îl luăm, purificam ARN-ul din el folosind o tehnologie consacrată şi apoi adăugăm un indicativ fluorescent. Luăm acest material marcat şi îl punem în ceva numit microarray.

Par doar o mulţime de puncte dar fiecare din aceste puncte e de fapt o porțiune unică a genomului uman pe care am identificat-o pe sticlă. Asta are aprox. 60.000 de elemente pe ea, aşa că măsurăm repetat diferite gene dintre cele 25.000 de gene aflate în genom. Şi când luăm un eşantion şi îl hibridizăm, obţinem o amprentă cantitativă unică a genelor activate în acel eşantion.

Repetăm acest proces pentru fiecare creier. Luăm peste o mie de eşantioane pentru fiecare creier. Zona arătată aici e numită hipocampus E implicată în învăţare şi memorare. Corespunde la cca 70 de mostre din cele o mie de eşantioane. Fiecare eşantion ne dă cca 50.000 de puncte de date cu măsurări repetate, o mie de eşantioane.

Deci, în mare, avem 50 de milioane de puncte de date pentru fiecare creier. Tocmai am adunat date pentru două creiere umane. Le-am pus pe toate la un loc într-o sigură bază de date. O să vă arăt sinteza. E practic un mare set de date disponibil gratuit pentru orice om de ştiinţă din lume. Nici măcar nu trebuie să se logheze pentru a folosi acest instrument, să exploreze baza de date, să găsească lucruri interesante cu ea. Iată modalităţile pe care le-am alcătuit Veţi începe să recunoaşteţi ce am colectat înainte. Iată RMN-ul care asigură cadrul. Un meniu de operare pe dreapta vă permite să rotiţi, să măriţi imaginea, să marcaţi structuri individuale.

Dar, cel mai important, această structură anatomică e un cadru de referință pentru a înţelege care gene sunt activate. Astfel nivelele roşii sunt locurile unde o genă e activată în mare măsură. Verzi sunt zonele răcoroase unde nu e activată. Fiecare genă ne dă o amprentă. Reţineţi că am analizat toate 25.000 gene din genom şi avem toate datele disponibile.

Deci ce pot afla cercetătorii din aceste date? Noi înşine abia începem să examinăm aceste date. Sunt câteva aspecte de bază pe care aţi dori să le înţelegeţi. Două exemple bune sunt medicamentele Prozac şi Wellbutrin, antidepresive prescrise în mod curent. Reţineţi că analizăm gene. Genele trimit instrucţiunile pentru asamblarea proteinelor. Proteinele sunt ţinte pentru medicamente. Astfel medicamentele se leagă de proteine şi fie le dezactivează, etc. Deci, dacă vreţi să înţelegeţi acţiunea medicamentelor, vreţi să înţelegeţi modurile în care doriţi să acționeze şi, de asemenea, cele în care nu doriţi să acționeze. În profilul de efecte secundare, etc., vreţi să vedeţi unde sunt activate acele gene. Şi pentru prima oară putem într-adevăr vedea. Putem vedea din eșantioanele pe care le-am examinat.

Acum ne putem uita în tot creierul. Putem vedea această amprentă unică. Şi obţinem confirmarea. Obţinem confirmarea că, într-adevăr, gena e activată -- pentru ceva ca Prozac, în structuri serotonergice, despre care se știe deja că sunt afectate-- dar reuşim, de asemenea, să vedem întregul. Vedem și zone la care nimeni nu s-a mai uitat vreodată şi vedem aceste gene activate acolo. E un beneficiu secundar din cele mai interesante. Altceva ce poţi face cu acest sistem, pentru că e un exerciţiu de potrivire a șabloanelor, pentru că e o amprentă unică, putem scana întregul genom şi putem găsi alte proteine care prezintă o amprentă asemănătoare. Dacă lucrezi în cercetare farmaceutică, de pildă, poţi parcurge o listă întreagă de caracteristici oferite de genom pentru a găsi, eventual, ţinte mai precise pentru medicamente în vederea optimizării.

Cei mai mulţi aţi auzit probabil de studiile de asociere la nivelul întregului genom, de la ştiri unde se spune "S-a descoperit recent gena sau genele care afectează X." Astfel de studii sunt publicate curent de oameni de ştiinţă şi sunt excepţionale. Analizează populaţii mari. Analizează genoame întregi şi încearcă să identifice puncte fierbinţi de activitate care au o legătură cauzală cu genele. Însă în urma unui asemenea exerciţiu se obţine doar o listă de gene. Afli ce, dar nu afli unde. De aceea e foarte important pentru acei cercetători că am creat această referință. Acum ei pot accesa și obțne indicii despre activitate. Pot începe să analizeze trasee comune -- căi noi pe care nu le-au avut la dispoziţie până acum.

Cred că acest public în special poate înţelege importanţa individualităţii. Fiecare din noi avem descendențe genetice diferite, am trăit vieți distincte. Dar de fapt genoamele noastre sunt peste 99% similare. Suntem foarte asemănători la nivel genetic. Şi descoperim că şi la nivelul biochimic cerebral suntem foarte asemănători. Vedem aici că nu e o corespondenţă de 99%, ci de aprox. 90% o estimare rezonabilă. Tot ce se găseşte în nor e în mare corelat. Găsim și nişte excepții exterioare, elemente care se află în afara norului. Acele gene sunt interesante, dar sunt foarte subtile. Astfel cred că există un mesaj important de luat acasă azi: chiar dacă salutăm toate diferenţierile noastre, suntem destul de asemănători şi la nivelul creierului.

Cum arată acele diferenţe? Acesta e un exemplu de studiu pe care l-am făcut de-a urmări şi vedea exact acele diferenţe -- diferențele sunt foarte subtile. Astea sunt locuri unde genele sunt activate într-un tip individual de celulă. Astea sunt două gene pe care le-am găsit ca exemple bune. Una se numeşte RELN. E implicată în implementarea dezvoltării timpurii. DISC1 e o genă care e ştearsă în schizofrenie. Aceştia nu sunt indivizi schizofreni, dar prezintă o oarecare variaţie a populaţiei. Ceea ce vedeţi aici la donatorul 1 şi 4, care sunt excepţiile față de ceilalţi doi, este că genele sunt activate într-un subset de celule foarte specific. Acest precipitat violet din interiorul celulei ne spune că o genă e activată acolo. Dacă asta se datorează sau nu fondului genetic sau experienţelor individului nu ştim. Aceste tipuri de studii necesită populaţii mult mai mari.

Aşa că o să vă las cu o notă finală despre complexitatea creierului şi cât de mult mai avem de parcurs. Cred că aceste resurse sunt incredibil de valoroase. Ele dau cercetătorilor un sprijin în a şti încotro să meargă. Ne-am uitat doar la câţiva indivizi până în prezent. Cu siguranţă ne vom uita la mai mulţi Închei prin a spune doar că instrumentele le avem, iar acesta e cu adevărat un continent neexplorat, nedescoperit. Asta e noua frontieră, dacă doriţi. Deci, pentru cei curioși dar descurajaţi de complexitatea creierului, viitorul îi aşteaptă.

Mulţumesc.

(Aplauze)