Τρισδιάστατη απεικόνιση νευρώνων

Ένα πρόβλημα στη μελέτη των νευρώνων είναι η τρισδιάστατη αναπαράστασή τους. Λύση σε αυτό δίνουν λογισμικά με ανάγκες χαμηλής υπολογιστικής ισχύος, τα οποία μπορούν να συνθέσουν εικόνες, να κατασκευάσουν τρισδιάστατες δομές και να προτείνουν πιθανούς τρόπους δράσης και λειτουργίας των νευρώνων σε φυσιολογική λειτουργία. Οι ερευνητές Ashwin Vishwanathan, Kayvon Daie, Alexandro D. Ramirez, Jeff W. Lichtman, Emre R.F. Aksay & H. Sebastian Seung στην εργασία τους με τίτλο “Electron Microscopic Reconstruction of Functionally Identified Cells in a Neural Integrator” παρουσιάζουν μία τέτοια προσέγγιση, που τους επέτρεψε να μελετήσουν νευρώνες της οφθαλμοκινητικής περιοχής του εγκεφάλου και να εξάγουν συμπεράσματα για τις μεταξύ τους σχέσεις.

Η έρευνα εστιάζεται σε νευρώνες που μεταφέρουν σήματα για την οριζόντια κίνηση των ματιών, οι οποίοι βρίσκονται σε μία περιοχή του οπίσθιου εγκεφάλου σχηματίζοντας νευρωτικό δίκτυο που είναι γνωστό ως ‘‘οριζόντιας ταχύτητας-θέσης νευρωνικός ολοκληρωτής” ή απλά “νευρωνικός ολοκληρωτής” (neural integrator). Μελετήθηκαν άτομα zebrafish σε προνυμφικό στάδιο, τα οποία αποτελούν πειραματικό μοντέλο για τη διερεύνυση της σχέσης μεταξύ νευρωνικών δικτύων και συμπεριφοράς.

Ο νευρωνικός ολοκληρωτής ονομάζεται έτσι καθώς ο μετασχηματισμός της ταχύτητας του ματιού σε θέση του ματιού είναι μία υπολογιστική διαδικασία ολοκλήρωσης σε συνάρτηση με το χρόνο. Τα νευρικά κύτταρα του ολοκληρωτή με τη διέγερσή τους, κατά την εστίαση, μεταφέρουν σήματα οριζόντιας θέσης των ματιών. Βλάβη ή απενεργοποίηση αυτών των κυττάρων δημιουργεί ανωμαλίες στην εύρυθμη λειτουργία της όρασης και την εστίαση των ματιών.

Για την αναδόμηση των εικόνων που λήφθηκαν κατά τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν δύο λογισμικά: το Fiji/ImageJ μαζί με το πρόσθετο TrakEM2 και η ημι-αυτόματη μέθοδος που χρησιμοποιεί τη πλατφόρμα ‘eyewire’. Το TrakEM2 επιτρέπει την τρισδιάστατη οπτικοποίηση και μελέτων εικόνων, τη χάραξη “μονοπατιών” στις εικόνες όπου συμβαίνει κάποιο βιολογικό γεγονός, τη λήψη μετρήσεων όγκου, μεγέθους, επιφάνειας, κ.τ.λ.. Το eyewire είναι μία διαδικτυακή πλατφόρμα με το χρήστη να ‘μετακινείται’ κατά μήκος ενός κυττάρου και να εντοπίζει την τρισδιάστατή του θέση.

Αναπαράσταση ενός νευρώνα, με τη χρήση των λογισμικών. Βλέπετε πώς η μελέτη της εικόνας-αριστερά-μπορεί να αναπαραστήσει τον νευρώνα-δεξιά. Παρατηρούμε τον νευράξονα (έντονη γραμμή), τις προσυναπτικές θέσεις (πράσινοι κύκλοι), τους δενδρίτες (λεπτή γραμμή) με μετασυναπτικές θέσεις (κόκκινοι κύκλοι). Ορισμένα σημεία του νευράξονα έχουν μυελίνη (κίτρινοι κύκλοι).

Μελετήθηκαν και αναδομήθηκαν 22 νευρώνες του νευρωνικού ολοκληρωτή για τους οποίους υπήρχαν λειτουργικές και δομικές πληροφορίες. Η μελέτη διαπίστωσε την ύπαρξη διακριτών ομάδων νευρώνων που σχηματίζουν το νευρωνικό δίκτυο. Διαπιστώθηκε εν τέλει η πρώτη ένδειξη για ύπαρξη συνάψεων μεταξύ κυττάρων του ολοκληρωτή.

Η μελέτη των ανατομικών δομών των νευρώνων του ολοκληρωτή παρείχαν ενδείξεις για συναπτικές συνδέσεις μεταξύ αυτών των νευρώνων και ταυτόχρονα προτείνεται μία μεθοδολογική προσέγγιση που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να αποκαλυφθούν γενικότεροι κανόνες σχετικά με τη συνδεσιμότητα των νευρώνων.

Η εκπαιδευτική χρήση των εν λόγω λογισμικών στη σχολική αίθουσα, θα μπορούσε να μας επιτρέψει να αναπαραστήσουμε πιο ρεαλιστικά τα κύτταρα και να εμπλέξουμε επομένως τους μαθητές μας σε πιο ενεργές δράσεις. Το TrakEM2 προσφέρεται δωρεάν και με τη χρήση κατάλληλων εικόνων μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά (λειτουργεί σε περιβάλλον Unix). Το eyewire είναι πιο εύχρηστο, είναι μία διαδικτυακή πλατφόρμα όπου με απλή εγγραφή μπορεί να αποκτήσει κανείς πρόσβαση και να το χρησιμοποιήσει άμεσα.

Η ικανότητα των μαθητών να αντιλαμβάνονται την τρισδιάστατη δομή του κόσμου και να ‘βλέπουν’ έναν ρεαλιστικό και πραγματικό βιολογικό κόσμο πίσω από δισδιάστατες εικόνες (όπως αυτές που είναι στα σχολικά εγχειρίδια), είναι μία απαραίτητη δεξιότητα για τον βιολογικά εγγράματο πολίτη. Ο ρόλος των εκπαιδευτικών είναι να βοηθήσουν αυτή τη μετάβαση από το δισδιάστατο σχεδιαστικό στον τρισδιάστατο πραγματικό κόσμο και τα λογισμικά είναι μία καλή λύση.

Ανακτήστε τη μελέτη δωρεάν, όσο ο σύνδεσμος από τους ερευνητές παραμένει ενεργός.