Virtuální realita pomáhá měřit aktivitu mozku

Naše myšlenky a jednání jsou výsledkem rozsáhlých populací nervových buněk fungujících najednou v jistém souladu, a které mohou zahrnovat až miliony neuronů. Měření aktivity mozku v těchto populacích v detailním rozlišení při vykonávání nějaké činnosti je pro výzkumníky extrémní výzvou. Dosud se tato měření omezovala maximálně na několik stovek neuronů u pobíhajících potkanů.

Doktor Misha Ahrens, odborný asistent oddělení buněčné a molekulární biologie na Harvardu, vyvinul se svými kolegy techniku, která neurovědcům umožňuje studovat až 2000 neuronů současně kdekoli v mozku transparentní rybky.

Dr. Ahrens a kolegové vytvořili pro rybky virtuální prostředí, které jim navozovalo pocit, jako by se pohybovaly. Pozorovaná rybka však byla ve skutečnosti v klidu, neboť byla paralyzována, aby výzkumníci mohli snímat obraz jejího mozku a měřit činnost jejích neuronů. Rybky vnímaly virtuální pohyb díky aktivaci axonů jejich motorických neuronů, tedy buněk odpovědných za generování pohybu.

Dania pruhovaná jsou jako jednoduchý organismus často používaná pro studium genetiky a vlastností nervového systému. Jsou geneticky modifikovatelná, takže Dr. Ahrens a jeho kolegové mohli pomocí genetických manipulací vytvořit rybky, jejichž neurony obsahovaly zvláštní protein zvyšující fluorescenci těch neuronových buněk, které jsou právě aktivní. Tím, že jsou Dania průhledná, mohli výzkumníci používat mikroskop s laserovým skenerem, a zjišťovat tak činnost v každém neuronu mozku rybky, a to až u 2000 neuronů současně.

Dr. Ahrens vysvětluje: Naše chování je určováno tisíci a možná miliony nervových buněk pracujícími v určité harmonii. Danio vykazuje komplexní chování s mozkem obsahujícím kolem 100.000 neuronů, z nichž téměř všechny jsou přístupné pro optické nahrávání nervové činnosti. Tato nová technika by nám měla pomoci zjistit, jak velké sítě zprostředkovávají chování, a současně nám přitom ukázat, co každá jednotlivá buňka v daném okamžiku dělá.

Dr. Ahrens s kolegy se pomocí nové techniky pokusili najít odpověď na otázku, zda Dania přizpůsobují své chování v reakci na změny prostředí? Simulovali rybkám náhlou změnu prostředí, které například kladlo větší odpor a vyžadovalo větší námahu svalů, a pozorovali, co se stane, když mozek potřebuje adaptovat způsob hybnosti.

Tato nová technika by nám měla pomoci zjistit, jak velké sítě zprostředkovávají chování, a současně nám přitom ukázat, co každá jednotlivá buňka v daném okamžiku dělá.

Dr. Ahrens dodává: Rybky své chování skutečně přizpůsobily a to úpravou množství podnětů, které mozek vysílal do svalů. Změna byla zároveň v mozku po nějakou dobu uchována. Komplexním zobrazováním mozku v průběhu tohoto chování jsme identifikovali určité oblasti, které byly do tohoto procesu zapojeny, nejvýznamněji mozeček a související struktury. Tato technika otevírá možnosti, jejichž pomocí můžeme v konečném důsledku získat vhled do řízení lidských motorických funkcí mozku a jejich poruch.

Naše vlastní ovládání pohybu je také podobným způsobem průběžně rekalibrováno a přizpůsobováno stále se měnícím podmínkám našeho těla a okolního prostředí, pro případy chůze po kluzkém povrchu, či nošení těžkých břemen, nebo když si poraníme nohu. Chování akvarijní rybky je toho velmi zjednodušenou verzí, která nám dovoluje získat určitou představu o tom, jak mozek a jeho struktury toto chování řídí. Jednou nám to pak může pomoci porozumět tomu, jak poškození některých oblastí mozku u člověka ovlivňuje způsob, jakým mozek integruje smyslové informace ke kontrole pohybu těla.

Tato technika otevírá možnosti, jejichž pomocí můžeme v konečném důsledku získat vhled do řízení lidských motorických funkcí mozku a jejich poruch.

Práce výzkumníků byla financována prostředky amerického Národního institutu zdraví (National Institutes of Health) a Wellcome Trustu, což je nadace založená americko-britským podnikatelem Henry Wellcomem, který podnikal především v oboru farmacie a jeho firma Burroughs Wellcome & Company byla jednou ze čtyř největších, ze kterých vznikl dnešní GlaxoSmithKline.