Ευρήματα από την αποτύπωση της γενετικής γεωγραφίας του εγκεφάλου

Ευρήματα από την αποτύπωση της γενετικής γεωγραφίας του εγκεφάλου

Λάθος η χρήση ποντικιών ως πειραματόζωα για τη μελέτη του ανθρώπινου εγκεφάλου. Δεν οφείλεται στο γενετικό κώδικα αλλά στις συνάψεις η εξειδίκευση ορισμένων τμημάτων του φλοιού

Καθώς διαβάζετε αυτές τις λέξεις, τα μάτια σας σαρώνουν τη σελίδα, βλέποντας σχέδια στα οποία ο εγκέφαλός σας δίνει νόημα. Στο μεταξύ, η καρδιά σας συστέλλεται και χαλαρώνει, το διάφραγμα σηκώνεται και κατεβαίνει ελέγχοντας την αναπνοή, οι μύες της πλάτης τεντώνονται για να κρατήσετε την όρθια στάση και ταυτόχρονα πραγματοποιούνται χιλιάδες άλλες απαραίτητες βιολογικές διεργασίες, άλλες ενσυνείδητα και άλλες ασυνείδητα, όλες όμως υπό τον έλεγχο των 86 δισεκατομμυρίων νευρώνων και ισάριθμων βοηθητικών κυττάρων μέσα στο κεφάλι σας.
Η επιστήμη δεν μπορεί ακόμα να εξηγήσει πλήρως πώς ο ανθρώπινος εγκέφαλος εκδηλώνει τη νόηση και γιατί δεν μπορεί να κάνει το ίδιο ο εγκέφαλος του πιθήκου. Την πρώτη δεκαετία του 20ού αιώνα, ο Γερμανός επιστήμονας Κ. Μπρόντμαν εξέτασε λεπτές φέτες του ανθρώπινου εγκεφάλου κάτω από το μικροσκόπιο για να μελετήσει το φλοιό, το εξωτερικό στρώμα φαιάς ουσίας που διαχειρίζεται την αντίληψη, τη σκέψη και τη μνήμη. Χαρτογράφησε τον εγκεφαλικό φλοιό χωρίζοντάς τον σε δεκάδες περιοχές, με βάση την τοπολογία του οργάνου και τον τρόπο που χρωματίζονται τα διάφορα τμήματά του, όταν εμποτιστούν με διάφορες χρωστικές.

Δύο θεωρίες

Σταδιακά σχηματίστηκε η θεωρία ότι κάθε περιοχή, κάθε ομάδα κυττάρων ενός είδους, διαχειρίζεται ένα συγκεκριμένο σύνολο λειτουργιών. Ορισμένοι νευρολόγοι αμφισβήτησαν αυτήν τη θεωρία της σύνδεσης των λειτουργιών με συγκεκριμένες περιοχές. Αλλά η θεωρία επανέκαμψε, με την εμφάνιση των νέων ερευνητικών εργαλείων και κυρίως της τομογραφίας λειτουργικού μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού (fMRI), που καταγράφει τις περιοχές του εγκεφάλου που «ανάβουν» (καταναλώνουν περισσότερο οξυγόνο) καθώς οι άνθρωποι διαβάζουν, ονειρεύονται, λένε ψέματα κ.ο.κ. Οι ερευνητές αξιοποίησαν αυτήν την τεχνολογία για να κατασκευάσουν «χάρτες» που συσχετίζουν αυτό που παρατηρούν, χρησιμοποιώντας τα νέα εργαλεία, με την πραγματική συμπεριφορά των ανθρώπων.
Μια νεότερη σχολή σκέψης, απορρίπτει αυτό τον απόλυτο καταμερισμό εργασίας και ομοιάζει τη λειτουργία του εγκεφάλου με εκείνη ενός μέσου κοινωνικής δικτύωσης. Σύμφωνα με αυτή την προσέγγιση, οι συνδέσεις που έχει ένας νευρώνας με άλλα εγκεφαλικά κύτταρα είναι που καθορίζουν τη συμπεριφορά του περισσότερο από τη θέση του μέσα στον εγκέφαλο. Η συμπεριφορά οποιασδήποτε περιοχής του εγκεφάλου επηρεάζεται περισσότερο από την προηγούμενη και την τρέχουσα εμπειρία της στο πλαίσιο της εγκεφαλικής λειτουργίας. Αν είναι σωστή αυτή η προσέγγιση, τότε θα πρέπει να υπάρχει αλληλεπικαλυπτόμενη δραστηριότητα ανάμεσα στις διαφορετικές περιοχές. Ο έλεγχος αυτής της εικασίας δεν είναι εύκολος. Τα νευρωνικά κυκλώματα είναι δύσκολο να εντοπιστούν και τα δισεκατομμύρια των νευρώνων του ανθρώπινου εγκεφάλου υπολογίζεται ότι έχουν μεταξύ τους 100 τρισεκατομμύρια συνδέσεις (συνάψεις). Ωστόσο, ήδη βρίσκονται σε εξέλιξη μελέτες για την ανάπτυξη των εργαλείων που χρειάζονται, ώστε να ελεγχθεί η ορθότητά της.

Νέος χάρτης

Με τη δημοσίευση το 2003 του ανθρώπινου γονιδιώματος, οι νευροεπιστήμονες κατάλαβαν ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τον κατάλογο των 20.000 ανθρώπινων γονιδίων σε συνδυασμό με τα γρήγορα εξελισσόμενα συστήματα σάρωσης και αναγνώρισης γονιδίων, για να εξετάσουν τον εγκέφαλο από μια νέα σκοπιά: να δουν ποια μέρη του γονιδιώματος ήταν ενεργά και ποια αδρανή σε κάθε σημείο. Περίμεναν ότι ο χάρτης που θα δημιουργούνταν θα έδειχνε διαφορετικά γονίδια να είναι ενεργά στο μέρος του εγκεφάλου που σχετίζεται με την ακοή, απ' ό,τι στα μέρη που σχετίζονται με την αφή, την κίνηση, ή τη νόηση. Το έργο αυτό, που χρειάστηκε 10 χρόνια για να ολοκληρωθεί σε πρώτη φάση, πρόβλεπε τη δημιουργία τρισδιάστατου άτλαντα της κατάστασης ενεργοποίησης διάφορων γονιδίων μέσα στον εγκέφαλο των ανθρώπων και τον εγκέφαλο των ποντικών (τώρα εργάζονται στη χαρτογράφηση και του εγκεφάλου πιθήκων). Τέτοιοι χάρτες αποτελούν πολύτιμη αναφορά στο τι είναι «φυσικό» - ή έστω τυπικό - με τον ίδιο τρόπο που το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος έδωσε τη βάση για το τι είναι αναμενόμενο να υπάρχει σε κάθε θέση μέσα στο DNA του ανθρώπου. Αυτοί οι άτλαντες θα επιταχύνουν την έρευνα στις νευροεπιστήμες, αλλά και στη φαρμακολογία, επιτρέποντας παράλληλα στους ερευνητές να δουν σε μεγαλύτερο βάθος τη λειτουργία του ανθρώπινου μυαλού.

Απρόσμενα συμπεράσματα

Ηδη, οι νέες προσεγγίσεις της ενδότερης λειτουργίας του εγκεφάλου των ανθρώπων και των τρωκτικών έχουν οδηγήσει σε μερικά συμπεράσματα - έκπληξη. Καταρχήν, αν και κάθε άνθρωπος είναι μοναδικός, τα μοτίβα γονιδιακής δραστηριότητας είναι εξαιρετικά παρόμοια σε όλους τους ανθρώπινους εγκεφάλους. Παρά τις διαφορές μεταξύ των ανθρώπων, όλοι μοιράζονται μια κοινή γενετική γεωγραφία στον εγκέφαλό τους. Οι ερευνητές εξέτασαν εγκεφάλους από άντρες και γυναίκες, νέους και ηλικιωμένους, λευκούς, μαύρους και λατίνους. Αλλοι είχαν μεγαλύτερο εγκέφαλο από το μέσο όρο και άλλοι μικρότερο. Καθένας, όμως, σε ποσοστό 97% εμφάνιζε ίδια γονιδιακή δραστηριότητα σε κάθε περιοχή του εγκεφάλου του, όπως και η πλειοψηφία των υπολοίπων.
Επιπλέον, σε κανένα μεμονωμένο άτομο δε βρέθηκαν σημαντικές διαφορές ανάμεσα στο αριστερό και στο δεξιό ημισφαίριο, έτσι που οι επιστήμονες από ένα σημείο και πέρα αποφάσισαν να αναλύουν μόνο ένα από τα δύο ημισφαίρια για να επιταχύνουν την έρευνά τους. Αυτό σημαίνει ότι τυχόν εξειδικεύσεις και διαφορές ανάμεσα στις λειτουργίες των δύο ημισφαιρίων (π.χ. συσχέτιση του αριστερού με τα μαθηματικά και τη γλώσσα και του δεξιού με την καλλιτεχνική και δημιουργική σκέψη), αν πραγματικά υπάρχουν, δε σχετίζονται με κατασκευαστικές, γενετικές διαφορές των ημισφαιρίων.
Η χαρτογράφηση της ενεργοποίησης των γονιδίων στον εγκέφαλο απέδειξε και κάτι άλλο πολύ σημαντικό: Αν και τα ποντίκια χρησιμοποιούνται ως πειραματόζωα στη θέση των ανθρώπων στις περισσότερες ερευνητικές εργασίες και δοκιμές φαρμάκων, είναι σαφές από τα αποτελέσματα της έρευνας ότι οι άνθρωποι δεν είναι απλά ...μεγάλα ποντίκια. Αυτή η ανακάλυψη θέτει υπό αμφισβήτηση τη χρήση των ποντικιών ως μοντέλα για την κατανόηση της νευροβιολογίας του δικού μας είδους.

Ο θαυμαστός φλοιός

Στις πρωτόγονες δομές του εγκεφάλου, που υπάρχουν στα περισσότερα ζώα, ως αποτέλεσμα της βιολογικής εξέλιξης, υπάρχει μια κακοφωνία, επειδή οι νευρώνες σχηματίζουν ομάδες που συμπεριφέρονται διαφορετικά η μία από την άλλη. Ο φλοιός του ανθρώπινου εγκεφάλου διαφέρει απ' αυτές τόσο στην κυτταρική διάταξη όσο και στη γονιδιακή δραστηριότητα. Αποτελείται από μια ποικιλία ειδών κυττάρων διατεταγμένων σε έξι επάλληλα στρώματα φαιάς ουσίας. Είναι προϊόν σχετικά πρόσφατης βιολογικής εξέλιξης και μεγάλωσε ώστε να γίνει αναλογικά πιο προέχων στους ανθρώπους σε σχέση με τα άλλα ζώα. Η φαιά ουσία είναι αυτό από το οποίο πηγάζει η μοναδική συνθετότητα της ανθρώπινης συμπεριφοράς και της προσωπικότητας κάθε ανθρώπου. Οι ερευνητές αναρωτήθηκαν αν αυτή η πολυπλοκότητα εκπορεύεται από μεγάλες διαφορές στην έκφραση των γονιδίων στις διάφορες περιοχές του φλοιού. Αν ίσχυε ο χωρισμός του εγκεφάλου σε περιοχές κατά Μπρόντμαν θα περίμενε κανείς ότι ο διαφορετικός ρόλος που παίζει κάθε περιοχή στην ανθρώπινη συμπεριφορά θα προέκυπτε από διαφορετικές ομαδοποιήσεις γονιδίων που θα ενεργοποιούνταν σε καθεμιά.
Ομως, ο άτλας έδειξε ότι η γονιδιακή δραστηριότητα στο φλοιό για κάθε συγκεκριμένο είδος νευρικού κυττάρου είναι εξαιρετικά ομογενής σε ολόκληρη τη φαιά ουσία, από το μέτωπο έως το πίσω μέρος του κρανίου. Βέβαια, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι κάθε τύπος νευρικού κυττάρου του φλοιού έχει διακριτή γενετική υπογραφή, αλλά κατά τ' άλλα δεν υπάρχουν σαφή σύνορα στη γενετική γεωγραφία του φλοιού, με εξαίρεση το τμήμα στο πίσω μέρος του κεφαλιού που επεξεργάζεται τις οπτικές πληροφορίες, που έρχονται από τα μάτια.
Η χαρτογράφηση της γονιδιακής δραστηριότητας στο φλοιό υποστηρίζει μια εναλλακτική θεωρία στη θέση εκείνης του Μπρόντμαν: τα γονίδια προσδιορίζουν κάθε τύπο νευρικού κυττάρου, όπως επίσης και το βασικό σχέδιο με βάση το οποίο αυτά τα νευρικά κύτταρα διατάσσονται κατά βάθος, καθώς προχωράμε από το εξωτερικό μέρος προς τη βάση του φλοιού. Ο φλοιός αποτελείται από πολλά αντίγραφα αυτής της κάθετης διάταξης. Το πώς συμπεριφέρεται συνολικά ο φλοιός φαίνεται να εξαρτάται πολύ περισσότερο από τους συγκεκριμένους τρόπους που οι νευρώνες συνδέονται σε νευρωνικά κυκλώματα - και το ιστορικό των ερεθισμάτων αυτών των κυκλωμάτων - παρά από διαφορές στην έκφραση των γονιδίων από τη μια περιοχή Μπρόντμαν στην άλλη.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»