Cartograful creierului uman

Cartograful creierului uman

O călătorie în creierul uman, așa ar putea fi descrisă întâlnirea cu Roxana N. Kooijmans, la Netherlands Institute for Neuroscience, din Amsterdam. Cercetătoarea româncă participă la un proiect paneuropean, în cadrul căruia realizează o “hartă” a creierului celulă cu celulă, care să ne ajute îi înțelegem mai bine funcțiile. Este prima „hartă” celulară de acestă anvergură, rezoluție și specificitate a creierului uman, și de asemenea numerică.

Unul dintre filmele care m-au fascinat în copilărie a fost Fantastic Voyage, în care o echipă de cercetători navigează în corpul uman, prin vasele de sânge, cu ajutorul unui submarin microscopic. Mi-am reamintit de film când am întâlnit-o pe Roxana Kooijmans, la Institutul Olandez de Neuroștiițe și m-am simțit ca într-o aventură în stil Jules Verne, în care cercetătoarea ne-a fost ghid într-o călătorie în creierul uman. 

Roxana Kooijmans locuiește de 12 ani în Olanda și spune că a ajuns la Netherlands Institute for Neuroscience urmându-și pasiunea pentru neuroștiință și cariera academică. Studiile universitare le-am făcut la Jacobs University Bremen, urmate de Medical Neuroscience la Charite în Berlin, și studii doctorale la VU Amsterdam. După obținerea diplomei de doctor în Decembrie 2016, s-a alăturat Human Brain Project, la începutul lui 2017. “Direcția carierei mele a fost construită pas cu pas, iar până acum a fost bazată pe alegeri relativ neconvenționale, datorită faptului ca nu lucrez într-o specialitate populară. A fost un drum plin de provocări, pe un drum nou și într-o direcție de cercetare încă insuficient definită, dacă nu inexistentă.  Aceasta a dus de multe ori la nevoia de a demonstra și motiva suplimentar necesitatea și importanța direcției de cercetare alese, în cadrul academic. Rezultatul însă este un proiect unic”, spune cercetătoarea. Faptul că descrie domeniul său de activitate ca fiind unul nu tocmai popular nu face decât să arate modestia cu care Roxana Kooijmans ne-a fascinat, pe lângă pasiunea sa și rezultatele excepționale pe care le-a obținut în proiectele la care lucrează. Dincolo de faptul că nu ajungi în fiecare zi să vezi un creier uman și să fii martor la cercetări care revoluționează un domeniu atât de complex.

Proiectul major în care este implicată este Human Brain Project, iar specialitatea sa este cartografierea mai multor tipuri de celule, simultan, în secțiuni integrale de țesut cerebral uman. Este prima „hartă” celulară de acesta anvergură, rezoluție și specificitate a creierului uman, și de asemenea numerică. “Noi facem o hartă generală care arată distribuția tuturor celulelor, tuturor neuronilor din creier. Facem atlase probabilistice, începem cu un creier, după care facem harta încă unui creier și încă unul, cât mai multe, cu scopul de a avea hărți probabilistice unde știm care este șansa ca un creier să arate într-un anumit fel. Și cum arată într-o anumită zonă. Spre exemplu, aria vizuală primară se află în spatele creierului, este ușor de găsit – în fisura calcarină. Dar cât de mult se extinde aria vizuală primară diferă foarte mult de la un individ la altul. Dar dacă alegi un punct în fisura calcarină ai șanse 100% să fie în aria vizuală primară, dacă este ușor în afară șansele scad spre 70%. Acest lucru poate fi foarte folositor pentru chirurgie”, explică Roxana Kooijmans, adăugând că este ușor de speriat faptul că orice student la medicină învață pe un atlas care este făcut pe un singur creier.

“Sunt arii ale creierului care nu au fost niciodată descrise uniform. Hărțile pe care le creăm acum sunt cantitative, sunt probabilistice, sunt uniforme și oferă același nivel de informație, care este numerică, pentru întregul creier” – Roxana N. Kooijmans, cercetătoare la Netherlands Institute for Neuroscience

Pentru că această „hartă” este una de o complexitate extraordinară, sunt folosite tehnici de “cartografiere” care nu au mai fost folosite până acum, cum este tehnica de colorare a celulelor creierului creată de Roxana Kooijmans. Cu alte cuvine, a reinventat modul cum se colorează și se analizează acest tip de imagini. Modul de a colora secțiunile creat de cercetătoare este foarte stabil și după segmentarea diverselor celule, dacă ne uităm la culori avem foarte clar trei regiuni de culoare. Pentru că scanatul ar dura foarte mult, nu pot fi folosite tehnici de analiză a culorii care existau deja. Tehnicile de colorare folosite în ultimii ani acum pentru neuroni și imagini biologice sunt folosite pentru imagini și regiuni foarte mici, iar unele dintre imaginile cu care se lucrează în acest proiect au 200.000 x 100.000 de pixeli suprafață.

“Modul special de colorare folosit de mine este complet nou – vizează subpopulații specifice de neuroni cărora le știm proprietățile funcționale. Este un pas mai departe, dincolo de o hartă generală a ariilor creierului, pentru că astfel se poate face o predicție. Putem astfel să prezicem cum poate susține o anumită funcție a ariei cerebrale arhitectura celulară. Și putem face acest lucru pentru că știm ce tipuri de celule sunt, cum funcționează dacă sunt studiate în mod izolat, în modele animale. Când descrii cum funcționează anumite rețele neuronale poți să prezici, să modelezi cum interacționează cu diverse leziuni – Parkinson și epilepsia sunt leziuni în rețelele neuronale. Și dacă știi cum funcționează rețeaua normal și poți să o simulezi, poți simula și studia și rețeaua cu leziune”, explică Roxana Kooijmans.

“Human Brain Project este un proiect foarte special pentru mine. Este atât o pasiune, cât și o specializare unică. Planurile de viitor includ cu siguranță ințentia de a construi pe această bază. Harta la care lucrez  poate fi extinsa dincolo de scopul actual, la mai multe tipuri de celule și diverse specii, oferind un esefodaj pentru transferul de date între diferite specii” – Roxana N. Kooijmans, cercetătoare la Netherlands Institute for Neuroscience

Cât este de complexă și de migăloasă această muncă de “cartografiere” a creierului uman? Scanarea unei arii a creierului de dimensiune medie într-un singur plan durează circa o oră. În secțiuni de 50 de micrometri, cum sunt cele cu care lucrează cercetătoarea, dacă secționarea se face frontal avem circa 7.500 de secțiuni și dacă fiecare durează în medie o oră, sunt necesare 7.500 de ore pentru scanare. Dacă scanarea se face pe trei dimensiuni, cum deja se încearcă pentru un alt proiect, ar trebui ca scanarea să se facă la o rezoluție mai mare, ceea ce crește timpul de 200 de ori. Cu alte cuvinte, ar fi nevoie de 200 de ore de scanare pentru o singură secțiune.

“Partea cea mai interesantă este nu doar că facem o hartă completă, ci că mergem un pas mai departe și facem o hartă numerică. Izolăm fiecare celulă, pe care o colorez și facem acest lucru folosind machine learning, în Germania, pentru că folosim unele dintre cele mai performante computere din Europa. Învățăm un algoritm care sunt celulele – un om trebuie să îi arate algoritmului ce este o celulă – după care algoritmul învață, și folosind imaginile pe care noi le-am scanat, segmenteză singur. După care verificăm segmentarea făcută cu ajutorul acestui algoritm. Este imposibil să facem segmentarea manual, chiar și pe o singură secțiune, din cauză că într-o secțiune medie algoritmul segmentează între 200 și 250.000 de celule.  Și aceste celule (pe care le vizează momentan cercetătoare) nu sunt toți neuronii, sunt între 20-25%. Dacă ne-am uita la toți neuronii ar fi circa 1 milion de neuroni într-o singură secțiune”, explică cercetătoarea.

Planurile de viitor ale Roxanei Kooijmans urmează Human Brain Project, care va fi finalizat în 2023.  “Acest proiect este foarte special pentru mine. Este atât o pasiune, cât și o specializare unică.  Planurile de viitor includ cu siguranță ințentia de a construi pe această bază. Harta la care lucrez  poate fi extinsa dincolo de scopul actual, la mai multe tipuri de celule și diverse specii, oferind un esefodaj pentru transferul de date între diferite specii”, spune cercetătoarea, adăugând că munca sa se desfășoară acum în institutele din Olanda și Germania, unde este asociată.

În paralel cu activitatea de la Netherlands Institute for Neuroscience, Roxana Kooijmans coordonează Primate Brain Bank, o bancă de țesut unică în Europa și în lume, care colecteaza țesut cerebral din diferite specii de primate, într-o maniera etică (de la animale din grădini zoologice care au decedat din motive independente) și îl pune la dispoziția comunității științifice. 

Un alt proiect, personal, este Girl Geek Dinners, o asociație internațională non-profit care are ca scop organizarea de evenimente sociale pentru a populariza și promova succesele obținute de femei în domenii stiintifice și tehnice, tradițional “masculine”, iar Roxana Kooijmans coordonează filiala olandeză a asociației.

Articolul a fost inițial publicat în Biz nr. 340 (20 februarie – 15 martie 2020). Dacă dorești să primești Revista Biz prin curier, abonează-te aici.