Pred tridesetimi leti so nevroznanstveniki uspeli kartirati povezave med 300 živčnimi celicami, ki tvorijo živčevje milimetrskega črvička Caenorhabditis elegans. V človeških možganih je 100 milijard nevronov, med njimi pa 10¹⁵ povezav. Skupna dolžina teh povezav je okoli 200.000 kilometrov. Kljub tem skorajda nepredstavljivim številkam se nevroznanstveniki lotevajo kartiranja povezav v človeških možganih – človeškega konektoma. Ali bomo tako v 21. stoletju – stoletju možganov – končno razrešili veliko uganko, kako delujejo človeški možgani?

Za razumevanje, kako delujejo možgani, je potrebno poznati povezave med možganskimi nevroni, ki potekajo v možganski belini (strukturna konektivnost), in pa usklajenost delovanja posameznih delov možganske skorje, ki sestavljajo različna omrežja (funkcijska konektivnost). Glavni metodi, ki omogočata takšne raziskave, sta difuzijsko tenzorsko slikanje (DTI – diffusion tensor imaging) in funkcijsko magnetnoresonančno (fMR) slikanje. Z DTI na podlagi magnetne resonance merimo smer difuzije vodnih molekul v možganskem tkivu. V področjih, kjer je veliko povezav, ki jih tvorijo živčna vlakna (aksoni), difundirajo molekule vode predvsem v smeri živčnih vlaken, ne pa pravokotno na vlakna. V ostalih področjih pa je difuzija bolj enakomerna v vseh smereh. Na podlagi teh podatkov lahko rekonstruiramo potek povezav v možganih, kar imenujemo traktografija. Tako lahko na popolnoma neinvaziven način raziskujemo povezave v človeških možganih pri zdravih in pri bolnikih, kar v preteklosti ni bilo mogoče.

S fMR slikanjem, ki prav tako temelji na magnetni resonanci, pa merimo in prikažemo, katera področja možganske skorje (možganska sivina, ki vsebuje telesa nevronov) so aktivna. Pri tem izkoriščamo lastnost možganov, da se v področjih, ki so aktivna, povečata krvni pretok in dostava kisika, kar lahko izmerimo z magnetno resonanco. Sprva so metodo uporabljali za prikaz področij, aktivnih med različnimi miselnimi nalogami; za raziskovanje funkcijske konektivnosti pa je pomembno predvsem, kako so aktivnosti različnih področij povezane med seboj oz. kako delujejo možganska omrežja. To lahko preučujemo, ko možgani »mirujejo« (ko ne opravljajo nobene specifične eksperimentalne naloge) ali pa ko izvajajo različne miselne naloge.

Za izdelavo kart zgradbe in aktivnosti človeških možganov pa je potrebno veliko več kot le zgoraj opisana tehnologija. Podobno kot pri Projektu človeški genom (Human Genome Project), ki je bil največji biološki projekt v zgodovini in v sklopu katerega je znanstvenikom v 13 letih uspelo razvozlati zgradbo človeškega genoma, so tudi za raziskavo človeškega konektoma nastali veliki mednarodni projekti. Začelo se je leta 2010 s petletnim Projektom človeški konektom Human Connectome Project, ki preučuje zgradbo in delovanje možganov 1.200 zdravih ljudi (dvojčkov in sorojencev iz 300 družin), hkrati pa razvija, izboljšuje in usklajuje načine zajema, analize in prikaza teh podatkov. Podatki o teh možganih so prosto dostopni tudi vsem drugim raziskovalcem.

Leto 2013 predstavlja mejnik v raziskovanju človeškega konektoma zaradi pričetka dveh novih mednarodnih projektov, ki ju financirata Evropska unija in Združene države Amerike in bosta v desetih letih skupaj stala več kot 3 milijarde evrov. Evropski Projekt človeški možgani Human Brain Project s pomočjo superračunalnikov razvija simulacijo celotnih človeških možganov, ameriški Iniciativa možgani BRAIN Initiative pa kartira aktivnost vsakega posameznega nevrona v človeških možganih. Oba projekta bosta za uspeh potrebovala tudi nove pristope in tehnologije, ki so še v povojih (npr. napetostno slikanje, optogenetika, optokemija).

Kaj si torej lahko obetamo od velikih naporov nevroznanstvenikov, da bi razvozlali povezave v človeških možganih? Bomo v 21. stoletju končno spoznali vse skrivnosti delovanja naših možganov? Bomo na podlagi teh spoznanj končno preprečili in pozdravili možganske bolezni, ki postajajo največji zdravstveni problem današnjega časa? Prezgodaj je še, da bi znali odgovoriti na ta vprašanja. Vsekakor pa se že spreminja način, kako preučujemo in razumemo možgane. Glavno spoznanje je, da so v možganih pomembna omrežja – in to je tudi tema Tedna možganov 2014.

Literatura:

• Zimmer C. Secrets of the brain. National Geographic 2014; 225(2).
• Yuste R, Church GM. The new century of the brain. Scientific American 2014; 310(3): 38-45.
• Seung S. Connectome: how the brain’s wiring makes us who we are. Boston: Mariner Books; 2013.