Ο Ατλας του εγκεφάλου

Πώς ακριβώς ενεργοποιούνται τα γονίδια μέσα στον εγκέφαλό μας; Αν και θεωρητικά οι επιστήμονες έχουν κάποια ιδέα, κανένας δεν ήταν σε θέση να «δει» κάτι τέτοιο στην πράξη. Τώρα αυτό είναι δυνατό χάρη στην ολοκλήρωση του πρώτου «μεταγραφικού» Ατλαντος του ανθρώπινου εγκεφάλου – ενός λεπτομερούς χάρτη που παρουσιάζει, εικόνα την εικόνα, τρισδιάστατα και σε υψηλή ανάλυση την έκφραση κάθε γονιδίου ξεχωριστά στις διάφορες λειτουργικές περιοχές του πολυτιμότερου οργάνου που διαθέτουμε.

Το επίτευγμα, το οποίο αποτελεί πραγματικό άθλο, θα προσφέρει ένα πολύτιμο βοήθημα για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας του εγκεφάλου και των παθήσεων που σχετίζονται με αυτόν, ενώ αναμένεται να δώσει μια σαφέστερη εικόνα για τη δράση πολλών φαρμάκων. Παρουσιάστηκε από το μη κερδοσκοπικό Ινστιτούτο Επιστημών του Εγκεφάλου Αλεν στο Σιάτλ, το οποίο έχει ιδρύσει ο Πολ Αλεν, συνιδρυτής της Microsoft. Το σχετικό πρόγραμμα ξεκίνησε το 2008 και χρηματοδοτήθηκε με 55 εκατ. δολάρια. Τα δεδομένα του «Allen Brain Atlas» διατίθενται ελεύθερα προς χρήση από τους ερευνητές, αλλά και από το «απλό» κοινό εδώ.

«Ο Ατλας είναι μια απίστευτα πλούσια και καινοτόμος πηγή για να μελετήσει κάποιος πώς τα γονίδια σχετίζονται με τη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου» δηλώνει στο «Βήμα» ο Εντ Λιν του Ινστιτούτου Αλεν, εκ των κύριων συγγραφέων της σχετικής μελέτης η οποία δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα στην επιθεώρηση «Nature» από διεθνή ομάδα ερευνητών. «Η προσέγγιση που υιοθετήσαμε, αναλύοντας την έκφραση όλων των γονιδίων σε όλες τις λειτουργικές υποδιαιρέσεις του εγκεφάλου, αποτελεί ένα τεράστιο άλμα το οποίο επιτρέπει πλέον να συνδέσουμε συγκεκριμένα γονίδια με τη λειτουργία των διαφόρων εγκεφαλικών περιοχών».

Η προσέγγιση αυτή, η οποία συνδυάζει την κλασική νευροανατομία με τις τεχνικές απεικόνισης του εγκεφάλου και τις μεθόδους ανάλυσης των μεταγραφώμενων γονιδίων, αποκαλύπτει για πρώτη φορά τις μοναδικές μοριακές «υπογραφές» των λειτουργικών δομών του εγκεφάλου μας. «Αν και μόλις αρχίζουμε να «ξύνουμε» την επιφάνεια όλων αυτών των δεδομένων ανακαλύπτουμε ήδη μερικούς από τους βασικούς κανόνες» λέει ο επιστήμονας. «Θα είναι συναρπαστικό να δούμε πώς η επιστημονική κοινότητα θα μπορέσει να χρησιμοποιήσει αυτά τα στοιχεία για να προχωρήσει τις έρευνές της στην κατανόηση της εγκεφαλικής λειτουργίας και δυσλειτουργίας στην περίπτωση ασθενειών».

Οι ερευνητές πιστεύουν πως σύντομα ο Ατλας τους, ο οποίος θα εμπλουτίζεται συνεχώς με καινούργια στοιχεία, θα χρησιμεύσει ως ένα μέτρο σύγκρισης για την εξέταση των «φυσιολογικών» και των «μη φυσιολογικών» παθολογικών εγκεφάλων. «Τώρα πλέον έχουμε τη δυνατότητα να διερευνήσουμε πώς τα ολοένα αυξανόμενα υποψήφια γονίδια για τον αυτισμό, τη σχιζοφρένεια, την Αλτσχάιμερ και άλλες ασθένειες λειτουργούν στον εγκέφαλο, εντοπίζοντας τη σύνδεση των γενετικών μελετών με τη βιολογία αυτών των παθήσεων και συμβάλλοντας, μακροπρόθεσμα, στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων» τονίζει ο κ. Λιν.

Σύγκριση των δύο εγκεφάλων: οι περιοχές με την υψηλότερη έκφραση του γονιδίου απεικονίζονται με κόκκινο και εκείνες με τη χαμηλότερη με πράσινο.

Το Ινστιτούτο Αλεν έχει ήδη παρουσιάσει έναν ανάλογο Ατλαντα για τον εγκέφαλο των ποντικών, η κατάρτιση όμως ενός χάρτη που δείχνει ξεχωριστά σε κάθε εικόνα την έκφραση κάθε γνωστού γονιδίου του ανθρώπινου γονιδιώματος σε κάθε λειτουργική περιοχή του ανθρώπινου εγκεφάλου είναι μια πολύ πιο πολύπλοκη υπόθεση. Αυτό όχι μόνο εξαιτίας του πλήθους των γονιδίων μας (περίπου 25.000 τον αριθμό) και του μεγέθους του εγκεφάλου μας (χιλιάδες φορές πολλαπλάσιο από του ποντικού), αλλά και επειδή η ανεύρεση της «πρώτης ύλης» για τις αναλύσεις δεν είναι καθόλου εύκολη.

«Η έκφραση των γονιδίων μετράται με τα μόρια RNA τα οποία διατηρούνται στον εγκεφαλικό ιστό μετά θάνατον αν αυτός καταψυχθεί προτού αρχίσει να αποσυντίθεται» εξηγεί ο ερευνητής. «Για να είναι κατάλληλος για τον Ατλαντα ένας εγκέφαλος θα έπρεπε να έχει καταψυχθεί μέσα σε 24 ώρες μετά τον θάνατο του δότη ενώ παράλληλα κάναμε εκτεταμένο ποιοτικό έλεγχο ώστε να εξασφαλίσουμε ότι το RNA ήταν ανέπαφο στα άτομα από τα οποία είχαν προέλθει οι ιστοί».

Με αυτούς τους περιορισμούς και τη γενικότερη δυσκολία που υπάρχει στην εξασφάλιση οργάνων οι επιστήμονες κατόρθωσαν να πάρουν για αναλύσεις δύο εγκεφάλους ανδρών και ένα ημισφαίριο από τον εγκέφαλο ενός τρίτου άνδρα. Αρχικά πέρασαν τους εγκεφάλους από τον μαγνητικό τομογράφο ώστε να καταγράψουν τρισδιάστατα την ανατομία τους. Στη συνέχεια «χάραξαν» υποδιαιρέσεις έτσι ώστε να λάβουν δείγματα ιστού από όλες τις λειτουργικές περιοχές (συνολικά περίπου 900 δείγματα από κάθε εγκέφαλο, 450-500 από κάθε ημισφαίριο). Υστερα ανέλυσαν τα δείγματα για να καταγράψουν την έκφραση των γονιδίων και τελικά «συναρμολόγησαν» ξανά όλα τα στοιχεία σε μια τρισδιάστατη απεικόνιση.

Τομή του εγκεφάλου για την επεξεργασία των δεδομένων της έκφρασης των γονιδίων (Πηγή Allen Institute for Brain Science).

Η χρήση του Ατλαντος στην πράξη από ερευνητές σε όλο τον κόσμο θα προσφέρει οπωσδήποτε σημαντικές ανακαλύψεις στο μέλλον, ήδη όμως οι επιστήμονες του Ινστιτούτου Αλεν έχουν καταλήξει σε μερικά πρώτα συμπεράσματα. «Το πιο χαρακτηριστικό στοιχείο που κάνει τον ανθρώπινο εγκέφαλο να ξεχωρίζει από εκείνον των άλλων ειδών είναι η αύξηση του μεγέθους του νεοφλοιού – του εξωτερικού φλοιού που ευθύνεται για εξελιγμένες λειτουργίες όπως η σκέψη και η αισθητήρια αντίληψη» αναφέρει ο κ. Λιν. «Θελήσαμε να δούμε πώς η έκφραση των γονιδίων μεταβάλλεται σε αυτόν τον μεγεθυσμένο φλοιό». Προς έκπληξή τους, όπως λέει, οι ερευνητές είδαν ότι ο νεοφλοιός είναι σχετικά ομοιογενής, κάτι το οποίο υποδηλώνει ότι η αύξηση του μεγέθους του προέκυψε από την αντιγραφή ενός στερεοτυπικού «μοτίβου». Επίσης διαπίστωσαν ότι οι περιοχές που δέχονται αισθητήριες πληροφορίες διαφέρουν μοριακά από τις άλλες, όπως και ότι οι γειτονικές περιοχές μοιάζουν περισσότερο μεταξύ τους από ό,τι οι απομακρυσμένες περιοχές, κάτι το οποίο σημαίνει ότι η λειτουργική οργάνωση του φλοιού σχετίζεται με το μοριακό αποτύπωμά του.

Ενα εξαιρετικά ενδιαφέρον εύρημα ήταν ο εντοπισμός διαφοροποιήσεων στα μοριακά μοτίβα του ανθρώπινου εγκεφάλου σε σχέση με εκείνα των ζώων που χρησιμοποιούνται ως πρότυπα στις μελέτες για διάφορες ασθένειες. Η ανακάλυψη αυτή μπορεί μεταξύ άλλων να προσφέρει εξηγήσεις σχετικά με τη διαφορετική δράση που έχουν συχνά τα φάρμακα στα διάφορα είδη. «Για παράδειγμα» λέει ο κ. Λιν «είδαμε ότι το μοτίβο έκφρασης των γονιδίων μιας πρωτεΐνης στην οποία προσδένεται το ασβέστιο, της καλβινδίνης 1, είναι διαφορετικό στον ιππόκαμπο του ανθρώπου σε σχέση με του ποντικού και του πιθήκου. Καθώς αυτή η δομή σχετίζεται με τη μάθηση και τη μνήμη, οι διαφοροποιήσεις αυτές μπορεί να υποδηλώνουν λειτουργικές διαφορές στον άνθρωπο σε σχέση με τα άλλα θηλαστικά. Είναι βέβαιο ότι θα πρέπει να υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός τέτοιων διαφοροποιήσεων ανάμεσα στα είδη».

Αντιθέτως οι επιστήμονες παρατήρησαν εκπληκτικές ομοιότητες στην έκφραση των γονιδίων ανάμεσα στους εγκεφάλους των δύο ανδρών που εξέτασαν. «Αυτό υποδηλώνει ότι υπάρχει ένα πολύ ισχυρό κοινό «μοτίβο» για τη χρήση των γονιδίων στην εγκεφαλική λειτουργία» εξηγεί ο ερευνητής. «Παρ’ όλα αυτά είναι βέβαιο ότι θα υπάρχουν διαφορές ανάμεσα σε άνδρες και γυναίκες καθώς και από άτομο σε άτομο και τώρα επεξεργαζόμαστε επιπλέον δεδομένα ώστε να αρχίσουμε να προσδιορίζουμε τις διαφοροποιήσεις μεταξύ ατόμων».