Un nou model per predir el desenvolupament cerebral
Des de les primeres setmanes de vida es teixeixen innombrables connexions entre neurones per assegurar la propagació del senyal nerviós. A poc a poc, aniran formant l’arquitectura final del cervell, el conectoma. La nostra capacitat per realitzar tasques cognitives complexes, com l’orientació espacial o la resolució de problemes, depèn de la seva estructura… Però, com sorgeix durant el desenvolupament? A l’Institut du Cerveau, Vito Dichio i Fabrizio de Vico Fallani van reproduir la trajectòria de desenvolupament cerebral del cuc C. elegans mitjançant un model informàtic, descrit a la revista Physical Review Letters. En darrera instància, esperen aplicar aquest model a altres espècies, inclosos els humans. A la recerca de les lleis que regeixen la formació del conectoma.
Als organismes que tenen sistema nerviós, és a dir, a la majoria de les espècies animals, el bon funcionament del cervell depèn en particular del conectoma, la xarxa formada per totes les connexions que uneixen les neurones. El connectoma és fonamental per a la integració de la informació de l’entorn, però també per al sorgiment de funcions cognitives importants, com l’atenció o la memòria. Quan s’altera a causa d’una lesió, després d’un ictus, per exemple, el funcionament del cervell també es veu afectat.
“La planta del connectoma varia segons les espècies, que tenen més o menys neurones, però també segons els individus. També es pot reorganitzar durant la vida per compensar certs dèficits: això és el que anomenem plasticitat cerebral”, explica Fabrizio de Vico Fallani (Inria), investigador de l’equip del projecte NERV a l’Institut du Cerveau.
Tot i això, la formació de connexions neuronals durant el desenvolupament del cervell no és del tot aleatòria. Segueix patrons codificats a nivell genètic i es guia per la selecció: l’organisme manté les connexions que permeten que el cervell funcioni correctament. Aquestes regles organitzatives, que són producte de milions d‟anys d‟evolució, l‟equip intenta descriure-les matemàticament i simular-les dins un model de desenvolupament cerebral.
A la recerca de les lleis que regeixen la formació del conectoma
“Per estudiar el conectoma, disposem de diversos organismes models, com el nematode i la Drosophila. Aquestes espècies presenten un clar avantatge: tenen un nombre reduït de neurones –entre diverses desenes i diversos centenars de milers– i, per tant, són adequades per cartografiar amb precisió les seves connexions neuronals en diferents fases de desenvolupament”, explica Vito Dichio, antic estudiant doctorat de l’equip i primer autor de l’article. “Per al nostre estudi, utilitzem el conectoma del cuc C. elagans, el cervell del qual conté unes 180 neurones”.
Per simular el desenvolupament del cervell del cuc, els investigadors van fer servir un model basat en la dinàmica “exploració-explotació”, és a dir, una combinació d’exploració aleatòria de noves connexions neuronals i explotació de les connexions més viables per sustentar la funció cognitiva. Després de definir l’estat final del conectoma adult del cuc –és a dir, les característiques neuronals ideals d’un animal capaç de moure’s, alimentar-se i reproduir-se–, van deixar que el seu algorisme “busqués” la trajectòria de desenvolupament que portaria, pas a pas, aquest resultat.
“A cada simulació, la trajectòria de desenvolupament del nostre nematode virtual era lleugerament diferent”, explica Vito Dichio. “Però, de mitjana, la formació de la xarxa neuronal reproduïa les mateixes etapes intermèdies que observem biològicament en el desenvolupament cerebral del cuc. Per nosaltres, això és una prova més que el cablejat del cervell segueix regles matemàtiques molt simples, que no obstant estan a l’origen de l’extraordinària complexitat del sistema nerviós”. Però, encara que siguin senzilles, són universals? «Per esbrinar-ho, hem de provar aquest model al conectoma d’altres espècies com mosques, ratolins i peixos zebra, i eventualment en humans«, afegeix l’investigador.
Predir la trajectòria de desenvolupament òptima
De fet, si algun dia disposem d’una base de dades completa del conectoma humà, i si el model resisteix la prova d’assajos successius en diferents espècies, els investigadors poden ajudar a definir la trajectòria de desenvolupament òptima per a un cervell sa.
“Encara estem molt lluny! Tot i això, algun dia podríem ser capaços d’assenyalar el punt en què el desenvolupament es desvia d’aquesta trajectòria ideal, donant lloc als trastorns que causen les malalties neurodegeneratives”, afegeix Fabrizio De Vico Fallani. “Això ens podria ajudar a intervenir en els pacients en el moment adequat, amb fàrmacs neuroprotectors”.
En un futur proper, el model també es podria aplicar a la plasticitat cerebral per predir la recuperació dels pacients després d’un ictus, de manera que es pugui guiar per tècniques intervencionistes, com l’estimulació cerebral profunda.
“Més enllà d’aquestes aplicacions importants, esperem contribuir a una millor comprensió de la maduració cerebral. És un procés la complexitat del qual semblava irreductible fa només deu anys, però cada cop comprenem millor els seus principis, gràcies sobretot a la contribució de disciplines que durant molt de temps van semblar irrellevants per descriure l’organització dels éssers vius, com les matemàtiques”, conclou el investigador.
Referència
Dichio, V., De Vico Fallani, F. Exploration-exploitation paradigm for networked biological systems. Physical Review Letters, Mars 2024.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.098402