Mały mózg – duże wyzwanie

Magdalena Kawalec-Segond

GN 35/2017 |

publikacja 31.08.2017 00:00

Przyjęło się sądzić, że ludzki mózg jest najbardziej złożoną ze znanych nam struktur. Nie sposób lekceważyć czegoś, co jest zbudowane z 86 mld komórek, które ze sobą współpracują. Jak to działa? Nie wiemy. Być może w rozwiązaniu tej zagadki pomogą nam muszki owocówki.

Mały mózg – duże wyzwanie Edward Kinsman /east news

Tak, te małe owady, które pojawiają się nie wiadomo skąd, gdy tylko zostawimy gdzieś np. nadpsuty owoc. Muszki owocówki też mają mózg, ale składa się on nie z miliardów komórek nerwowych, ale „zaledwie” ze 100 tysięcy. Do zrozumienia, jak on funkcjonuje, naukowcy postanowili zatrudnić sztuczną inteligencję. W Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus w Ashburn (Virginia, USA) napisano program komputerowy „obdarzony” inteligencją. Dzięki niemu udało się stworzyć chyba najciekawszą z dotychczasowych biologicznych map.

Wszędzie mapy

Biologia posługuje się różnymi mapami. Dzięki nim możemy na przykład pokazać, gdzie konkretnie przebywają w nas mikroorganizmy różnych gatunków lub jakie reakcje biochemiczne mają miejsce w tkankach. Dzięki mapom genetycznym widzimy, które geny są aktywne w pojedynczych komórkach. Jednak mapa pokazująca, jakie obwody nerwowe są zaangażowane w konkretne zachowania, to całkowite novum. Aby się udało, obrano najlepszy z możliwych modeli – muszkę owocową Drosophila melanogaster. Maleńka, półprzejrzysta – zatem pozwalająca na łatwe obserwowanie wnętrza, łatwo manipulowalna genetycznie, tania w utrzymaniu i niewzbudzająca problemów natury etycznej podczas eksperymentu.

Czym innym jest dla muszki podejść czy podlecieć w jakimś ustalonym kierunku, chociażby do pokarmu, a czym innym odbyć roztańczony rytuał godowy. Niektóre zachowania trwają kilka sekund, inne nawet do kilku minut. Niektóre są powtarzalne i częste, inne jednostkowe; jedne są wrodzone, inne wyuczone. Mózg uczestniczy w nich i koordynuje je wszystkie. Nie jest jasne, które neurony budujące mózg uczestniczą w konkretnych zachowaniach. Wiedza ta zaś, dziś eksperymentalnie zdobyta na muszkach, może w przyszłości pozwolić na poznanie funkcjonowania mózgu aż do takiego detalu u ssaków. To ważne chociażby dla ofiar wypadków czy ludzi, którzy cierpią na nowotwór albo udar mózgu. Wtedy bezpowrotnie tracimy wiele neuronów i wiele ich funkcjonalnych obwodów. Tyle tylko, że analiza funkcjonalna mózgu, który składa się z prawie 90 mld komórek, jest, i pewnie długo jeszcze będzie, poza zasięgiem naszej technologii. Co innego, gdy obiektem badań jest muszka owocówka. A i tu nie było łatwo.

Muchy w filmie

W ramach projektu badawczego nagrano 20 tys. kilkunastominutowych filmów „z życia muszki owocowej”. Żeby zobaczyć je wszystkie „ciurkiem”, trzeba by spędzić przed telewizorem ponad 200 dni i nocy. W sumie w tych filmach „występowało” około pół miliona owadów, które reprezentowały ponad 2200 rozmaitych mutacji. Te mutacje zaprojektowano tak, by u każdego z badanych osobników pod wpływem wzrostu temperatury (z 18 do 25 st. C) następowała aktywacja bardzo konkretnego obszaru w mózgu, czyli grupy współpracujących z sobą neuronów. Wiadomo było dokładnie których, gdyż zmiana ta powodowała w nich produkcję zielonego białka fluorescencyjnego – tego samego, które występuje u świetlików. Następnie w specjalnej misce z zawieszoną kamerą, niczym na arenie, umieszczano po 10 samców i samic każdej mutacji. Podczas 16-minutowej obserwacji uzyskiwano ok. 30 tys. pojedynczych klatek zdjęciowych. „Inteligentny” program komputerowy ustalał i odnotowywał dokładne miejsce przebywania i pozycję skrzydeł każdej z obserwowanych muszek na danej klatce zdjęciowej. Dla każdego z mutantów obserwacje powtarzano 8 razy. Dało to 100 mld punktów eksperymentalnych, pozwalających na korelację konkretnego obszaru mózgu z konkretnym muszym zachowaniem. To z nich powstała ta niezwykła mapa.

Co z niej wynika? To, że zmiana działania konkretnego niewielkiego obszaru mózgu muszki powoduje zmiany zachowań, często niewidoczne gołym okiem, ale uchwycone przez kamerę i sztuczną inteligencję. Naukowcy wydzielili w maleńkim muszym mózgu ponad 7 tys. funkcjonalnie istotnych mikroobszarów. Okazało się ponadto, że czynności, które uznalibyśmy za prozaiczne, np. chodzenie do przodu, wymagają aktywności licznych i rozległych obszarów mózgu, podczas gdy wydawałoby się nietuzinkowe zachowania, jak poszukiwanie partnerki, wymagają aktywności obszarów nielicznych i niewielkich.

Oczywiście mapa w podróż nas nie zabierze ani za nią nie zapłaci, ale bez mapy trudno wybrać się tam, gdzie nigdy nie byliśmy. O takich badaniach zatem nauka mówi: „kamień milowy”. Tym razem w neurobiologii. Kiedy zatem nad letnimi koszami owoców czy pomidorów pyszniących się na stole pojawią się muszki, pomyślmy o nich z życzliwością. Pozwalają nam one zgłębiać naturę życia.