Reverzné inžinierstvo nervového systému nám poskytne prevratné informácie

Biológovia v laboratóriách pravidelne využívajú červa Caenorhabditis elegans (háďatko), dlhého len 1 mm, na získanie poznatkov o rôznych témach – od embryonálneho vývoja a starnutia až po genetiku a neurobiológiu. V roku 1986 sa C. elegans stal prvým živočíchom, u ktorého bola zmapovaná celá nervová sústava. Ukázalo sa, že háďatko obsahuje len 302 neurónov so 7000 synaptickými spojeniami medzi nimi, čo je najmenej zo všetkých živočíchov. Vedci dúfali, že takáto mapa (konektóm) im pomôže spätne analyzovať správanie nervového systému meraním toho, ako podnet na jeden neurón ovplyvňuje ostatné.

Ukázalo sa však, že zmerať vplyv jedného neurónu na druhý u živého tvora je nesmierne ťažké, nehovoriac o vplyve na všetkých 301 ďalších neurónov. No teraz Gal Haspel z New Jersey Institute of Technology v Newarku a jeho kolegovia tvrdia, že cieľ reverzného inžinierstva celého nervového systému C. elegans je už na dosah. Úspech by mal hlboké dôsledky. Umožnilo by to počítaču prvýkrát použiť tieto merania na simuláciu nervového systému živého organizmu.

Poskytlo by to hlboký pohľad na spôsob, ako živočíchy spracúvajú zmyslové informácie, prijímajú rozhodnutia a ako sa učia a správajú. A otvorilo by to cestu k reverznému inžinierstvu zložitejších mozgov, možno by to dokonca inšpirovalo úplne nové druhy umelej inteligencie. No konektóm, anatomická mapa prepojení medzi neurónmi, nestačí na rekonštrukciu fungovania nervového systému v praxi. Na mape totiž chýbajú informácie o sile synapsií a spôsobe, ako sa jednotlivé neuróny správajú. Navyše v prípade C. elegans dostáva každý neurón vstupy od desiatok ďalších.

To všetko sa dá rozobrať len pomocou podrobných a dôkladných meraní, ktoré sú nad sily bežných ľudských laboratórnych pracovníkov. Začiatkom 21. storočia vedci vyvinuli súbor techník na zapínanie a vypínanie génov pomocou svetla. Takzvaná optogenetika sa dá použiť na stimuláciu neurónov svetlom a následné meranie účinkov pomocou sledovania vyžarovaného svetla. Zároveň boli vyvinuté spôsoby, ako automatizovať merania nervovej aktivity v značne paralelných experimentoch.

Vznikajú tak rozsiahle súbory údajov, ktoré môžu techniky strojového učenia využiť na rekonštrukciu pôvodného správania neurónov v širokom rozsahu podmienok. Haspel a jeho kolegovia tvrdia, že tieto inovácie by mali konečne umožniť reverzné inžinierstvo nervového systému C. elegans. Optogenetika umožní výskumníkom aktivovať neuróny C. elegans svetlom a zaznamenávať reakcie v celom nervovom systéme. Pokročilá mikroskopia bude zobrazovať umiestnenie kľúčových molekúl a zároveň sledovať morfológiu neurónov v nanorozlíšení.

Cieľom bude určiť, ako výstup každého neurónu závisí od aktivity každého iného neurónu, ktorý je s ním spojený. Modelovanie týchto vzájomných závislostí odhalí výpočtové pravidlá zakotvené v štruktúre nervového systému C. elegans. Zámerom je vyčerpávajúcim mapovaním týchto funkčných prepojení medzi neurónmi vytvoriť kompletnú simuláciu mozgu C. elegans. Mať virtuálnu verziu nervového systému C. elegans umožní rýchle a lacné testovanie hypotéz.

Výskumníci môžu upravovať in-silico verzie neurónov a pozorovať simulované účinky na správanie červa. To by mohlo pomôcť pri testovaní potenciálnych liekov a génových terapií nervových porúch ešte pred pokusmi na zvieratách. V konečnom dôsledku by sa poznatky získané reverzným inžinierstvom jednoduchého nervového systému C. elegans mohli použiť na vytvorenie virtuálnych modelov zložitejších nervových systémov s konečným cieľom reprodukovať ľudský mozog v celej jeho zložitosti.

Zdroj: discovermagazine.com.