Közelebb kerültünk az agy modellezéséhez

Újabb lépést tettek a tudósok az emberi agy számítógépes modellezése felé, miután kifejlesztettek egy technikát, ami egyszerre térképezi fel az idegsejtek kapcsolódásait és funkcióit.

Az idegtudományban egy új kutatási terület jelenik meg, a "connectomics", vagy kapcsolódástan, ami a genetikai felépítésünket feltérképező genomikával párhuzamban az agy kapcsolódásait, az úgynevezett szinapszisokat veszi szemügyre. Ezeknek a kapcsolódásoknak a felmérésével, valamint az agyi áramkörökön keresztül áramló információ vizsgálatával a tudósok remélik, sikerül megismerniük miként keletkeznek az észlelések, érzékelések és gondolatok az agyban, illetve hogyan siklanak félre ezek a funkciók a különböző rendellenességek, az Alzheimer-kór, a skizofrénia, vagy a sztrók következtében.

Az agy kapcsolódásainak feltérképezése azonban koránt sem egyszerű feladat, a becslések szerint százmilliárd idegsejt, azaz neuron van az agyban, melyek mindegyike több ezer másik neuronhoz kapcsolódik, ezáltal megközelítőleg 150 billió szinapszist hozva létre. Dr. Tom Mrsic-Flogel, a University College London (UCL) kutatója azonban elhatározta, hogy megpróbál eligazodni ebben a gigantikus hálózatban. "Hogyan ismerhetnénk meg az agy neurális kapcsolódási sémájának működését?" - teszi fel a kérdést. "Először meg kell ismernünk minden egyes neuron funkcióját és meg kell találnunk, milyen más agysejtekhez kapcsolódnak. Ha sikerül megtalálnunk a módját a különböző feladatokat ellátó idegsejtek közötti kapcsolatok feltérképezésének, akkor már megkezdhetjük egy számítógépes modell fejlesztését, amiből megtudhatjuk, hogyan hozzák létre a neurális hálózatok összetett dinamikái a gondolatokat, az érzéseket és a mozgást"

Az agy különböző területeinek idegsejtjei különböző feladatokat látnak el. Mrsic-Flogel és munkatársai jelenleg a vizuális kéregre összpontosítanak, ami a szemtől érkező információkat dolgozza fel. Az agyterület egyes neuronjai például a képek körvonalainak észlelésére specializálódtak, vannak amelyek a vízszintes szélek észlelésénél aktiválódnak, mások a függőlegeseknél. A vizuális hierarchia magasabb szintjein álló neuronok már az összetettebb vizuális jegyekre reagálnak, mint például az arcok. Az agy ezen területének sérülései megnehezítik az arcfelismerését, még akkor is, ha a különálló jegyeket, mint a szemet, vagy az orrot képesek felismerni.

A Nature magazin április 10-i számában közzétett tanulmányban az UCL csapata egy egereknél kifejlesztett technikát ismertet, ami lehetővé teszi a neuronok funkcióiról és szinaptikus kapcsolódásaik részleteiről szerzett információk kombinálását. A kutatók az egéragy látókérgébe pillantottak bele, ami ugyancsak több ezer neuronból és kapcsolódások millióiból épül fel. Nagy felbontású képfeldolgozó eljárással a kutatóknak sikerült észlelniük, hogy ezen neutronok közül melyek reagáltak egy adott ingerre, például egy vízszintes szélre.

Egy szeletet kivágva a kéregszövetből, a kutatók elektromos impulzusokkal stimulálták a neuronok egy részhalmazát, hogy lássák, mely más neuronok reagálnak az ingerekre, ezáltal feltérképezve a szinaptikusan kapcsolt sejteket. Az eljárás többszöri megismétlésével a látókéreg idegsejtjei százainál sikerült kinyomozni a funkciókat és a kapcsolódásokat. A tanulmány azt is bebizonyította, hogy a neuronok közötti helyi kapcsolódások nem véletlenszerűek, azaz az idegsejtek nem szórványosan, a feladataiktól függetlenül kapcsolódnak egymáshoz.

A technika alkalmazásától a kutatók azt remélik hogy eljutnak a különböző agyterületek "huzalozási diagramjához". Ez a tudás elengedhetetlen a rendkívül összetett áramkörökbe beágyazott neuronok által elvégzett számítások tárházának megismeréséhez, miközben a technikával felfedhetik a tapintást, a hallást és a mozgást biztosító területek funkcionális huzalozását. "Kezdjük kibogozni az agy komplexitását" - mondta Mrsic-Flogel. "Ha megismerjük az agy különböző rétegeit összekötő idegsejtek működését és összekapcsolhatóságát, megkezdhetjük ennek a példátlan szervnek a működését bemutató számítógépes szimuláció fejlesztését . Ehhez azonban sok év összehangolt munkájára és hatalmas számítási teljesítményre lesz szükség, mielőtt valósággá válhatna"

Ha sikerülne realizálni a terveket, az jelentős áttörésekhez vezetne az agyi rendellenességek gyógyításában és a mesterséges intelligencia kutatásban egyaránt.