O nouă inițiativă internațională analizează influența energiei asupra funcției cerebrale
Profesorul Tim Vogels de la Institutul de Știință și Tehnologie din Austria (ISTA) va primi 3 milioane de dolari ca parte a unei ambițioase inițiative internaționale de cercetare în valoare de 80 de milioane de dolari, care explorează modul în care energia influențează funcția creierului.
Colaborarea, care se va desfășura pe parcursul a 10 ani, a fost lansată de Simons Foundation, cu sediul în New York, iar Vogels își va aduce contribuția în domeniul neuroștiinței computaționale pentru a dezvolta modele computerizate care să investigheze cum aprovizionarea cu energie a creierului afectează capacitatea acestuia de a procesa informații și de a învăța.
Creierul uman este un expert în gestionarea energiei. Funcționează cu aproximativ 20 de wați, ceea ce este echivalent cu puterea unei lămpi slabe, însă oamenii de știință nu înțeleg pe deplin cum recepționează, distribuie și utilizează această energie. Cum reușește creierul să își echilibreze nevoile energetice în perioadele de cerere ridicată sau când este în repaus?
Aici intervine noua colaborare Simons pe tematica energetică a creierului (SCOBE).
Coordonată de Thomas Clandinin de la Universitatea Stanford, inițiativa reunește 26 de cercetători din Statele Unite, Austria, Marea Britanie și Norvegia. Scopul său este de a înțelege modul în care disponibilitatea energiei influențează funcția creierului, de la celule individuale până la rețele neuronale complexe și comportament. Pe termen lung, colaborarea își propune să răspundă întrebărilor fundamentale despre cum procesează creierul informația, originile tulburărilor de dezvoltare a creierului și chiar îmbătrânirea.
„Este o adevărată onoare să fac parte din această colaborare ambițioasă. Prin contribuția noastră în neuroștiința computațională, grupul meu de cercetare de la ISTA și eu sperăm să abordăm câteva dintre marile întrebări fără răspuns despre creier și să obținem o înțelegere mai bună a modului în care energia modelează modul său de funcționare, învățare și adaptare”, a declarat profesorul Tim Vogels.
Vogels, originar din München, este cunoscut pentru co-dezvoltarea uneia dintre primele teorii despre modul în care conexiunile inhibitory ale creierului învață. Recent, el s-a concentrat asupra bugetului energetic al creierului, propunând că neuronii își ard surplusul de energie prin creșterea activității proprii pentru a se proteja de produsele secundare dăunătoare ale unui metabolism lent.
Această cercetare i-a adus invitația de a se alătura SCOBE, unde grupul Vogels de la ISTA va contribui la trei dintre cele patru domenii de cercetare definite, ajutând la construirea unei înțelegeri comune a metabolismului energetic în diverse tipuri de celule ale creierului și clarificând modul în care metabolismul celular și activitatea neurală depind una de cealaltă.
Mai exact, Vogels și echipa sa vor dezvolta modele computaționale care leagă metabolismul energetic în mitocondrii, centrul energetic al celulei, de activitatea neuronală. Aceste modele vor servi ca platforme pentru experimentele altor cercetători din colaborarea SCOBE.
Pe baza acestei lucrări inițiale, grupul Vogels, alături de grupuri de cercetare de la Stanford, Allen Institute și Universitatea din Oslo, va dezvolta modele ale unor rețele mai mari de neuroni și modul în care acestea colaborează. Bazându-se pe descoperirile experimentale din întreaga colaborare, cercetătorii își propun să înțeleagă cum cerințele energetice influențează învățarea.
„Cât de mult costă să creezi o memorie?” întreabă Chaitanya Chintaluri, un cercetător senior din grupul Vogels. „Cât costă să gândești, dar și să te odihnești, și chiar să visezi? Și dacă este costisitor, de ce visăm?”
Un alt aspect important al SCOBE este modul în care creierul se adaptează la schimbările în disponibilitatea energiei, inclusiv în perioadele de stres metabolic.
Disponibilitatea energiei pentru creier poate fluctua din diverse motive, inclusiv condiții cronice precum diabetul, niveluri reduse de oxigen sau sarcina. Cercetătorii vor investiga cum reușește creierul să își mențină funcțiile atunci când energia este limitată sau în exces și ce se întâmplă atunci când mecanismele de protecție eșuează.
Folosind datele de la colaboratorii din acest domeniu de cercetare, grupul Vogels va dezvolta modele computaționale care leagă oferta și cererea de energie. În special, echipa va explora modul în care neuronii și glia răspund la schimbările pe termen scurt în metabolitul energetic.
SCOBE reunește experți în neuroștiințe, biologie celulară și moleculară, precum și inginerie și teorie. Cercetările se vor desfășura pe diferite specii și la diferite dimensiuni, unite prin abordările computaționale contribuție de grupul Vogels și alți teoreticieni din colaborare.
„Nu s-a făcut prea multă cercetare anterioară în domeniul energeticii cerebrale dintr-o perspectivă teoretică sau computațională, așa că sunt optimist cu privire la ceea ce vom învăța aplicând tehnici avansate de modelare pentru a integra diverse tipuri de date”, a spus Hannah Bayer, ofițer științific senior în colaborările de neuroștiințe la Simons Foundation.
