Creierul tău este programat să înțeleagă lumea înainte chiar de a te naște, arată un studiu pe „mini-creiere”

Gata cu ideea de „tabula rasa”? Se pare că oamenii vin pe lume cu un manual de instrucțiuni deja instalat.

Într-un studiu absolut fascinant, oamenii de știință au utilizat fragmente de țesut cerebral uman pentru a demonstra ceva ce schimbă regulile jocului: circuitele noastre neuronale produc tipare electrice complexe într-un stadiu extrem de timpuriu al dezvoltării, mult înainte ca simțurile noastre să fie active.

Experimentele, desfășurate la Universitatea din California, Santa Cruz (UCSC) și în alte laboratoare partenere, sugerează că creierul nostru vine echipat cu reguli de sincronizare „încorporate” pentru gândire. Cercetătorii au monitorizat semnalele din organoizi – acele bucăți de țesut cerebral uman cultivate în laborator, adesea numite „mini-creiere” – și din secțiuni de cortex de șoarece nou-născut care nu primiseră niciodată stimulare senzorială.

Rezultatul? În toate aceste preparate, neuronii s-au aprins în modele ordonate și repetitive, sugerând existența unui script intern prin care creierul încearcă să dea sens lumii încă de la început.

Activitatea timpurie a circuitelor cerebrale: nu este doar „zgomot”

În centrul acestui proiect se află Tal Sharf, profesor asistent de inginerie biomoleculară la UCSC. Cercetările sale se concentrează pe o întrebare fundamentală: cum se asamblează circuitele neuronale ale creierului înainte ca experiența senzorială să aibă șansa să le modeleze?

Neurologii știu de ani buni că activitatea cerebrală la adulți nu este doar un zgomot aleatoriu. Aceasta urmează secvențe structurate atunci când ne mișcăm, ne amintim ceva sau pur și simplu ne odihnim. Lucrările clasice efectuate pe rozătoare au arătat chiar că celulele din hipocamp pot „prelua” traseele pe care animalul urmează să le parcurgă, sugerând că modelele de activitate există latent înainte de experiența propriu-zisă.

Aceste lanțuri repetitive poartă numele de Secvențe de Activare Neuronală (NFS). Gândiți-vă la ele ca la niște rafale ordonate de impulsuri ale celulelor nervoase care au loc în fracțiuni de secundă. Acestea sunt considerate unitățile de bază pe care creierul le folosește pentru a transmite informații și pentru a lega evenimentele în timp.

Marea dezbatere a fost mereu dacă aceste secvențe apar doar după luni de stimulare senzorială sau sunt acolo de la început. Sharf și echipa sa au decis să testeze dacă există vreun astfel de „script” înainte ca creierul să perceapă lumea exterioară.

Creșterea „mini-creierelor” în laborator

Pentru a răspunde la această întrebare, grupul a apelat la organoizi capabili să imite părți ale cortexului uman. Acești organoizi nu sunt doar niște culturi de celule obișnuite; ei surprind stadiile incipiente de dezvoltare și sunt deja utilizați intens pentru a studia afecțiuni precum autismul și boala Alzheimer.

Experimentele anterioare ale echipei lui Sharf au demonstrat că acești organoizi cerebrali formează circuite reale: neuronii se conectează, se sincronizează și reacționează la medicamente. Nu sunt doar mostre de țesut static, ci rețele active care pot învăța și se pot schimba. Un alt studiu a descoperit chiar că organoizii corticali dezvoltă treptat unde oscilatorii complexe, care seamănă izbitor cu modelele observate la copiii născuți prematur.

Împreună cu noua lucrare, aceste rezultate întăresc ideea că rețelele organoidale urmează programe ghidate intern pe măsură ce se maturizează.

În cadrul studiului actual, echipa a cultivat organoizi din celule stem umane și a plasat felii de țesut pe matrice de microelectrozi (cipuri plate cu multe puncte de înregistrare). Această tehnologie le-a permis să separe semnalele de la sute de neuroni simultan și să urmărească „dansul” fiecărei celule în timpul minutelor de activitate spontană.

Descoperirea secvențelor „ascunse”

Când au analizat datele, surpriza a fost totală: exploziile de activitate au cuprins organoizii în etape ordonate, nu sub formă de flash-uri haotice. Fiecare explozie a urmat un program specific, cu unii neuroni activându-se devreme și alții mai târziu, formând secvențe care se potrivesc cu un plan de conectare încorporat.

Analiza a relevat o structură fascinantă:

• Coloana vertebrală: o fracțiune de celule care s-au activat la fiecare explozie într-o ordine fixă.
• Elementele flexibile: multe alte celule care participau doar uneori sau în momente diferite, oferind rețelei flexibilitatea de a explora combinații noi fără a-și pierde ritmul de bază.

Sincronizarea acestor secvențe seamănă remarcabil cu modelele din cortexul adult.

„Aceste celule interacționează în mod clar între ele și formează circuite care se autoasamblează înainte de a putea experimenta ceva din lumea exterioară”, a explicat Sharf.

Această izolare totală de inputul extern înseamnă că acea „declanșare ordonată” reflectă reguli de secvență codificate direct în rețeaua de circuite cerebrale, independent de experiență. Se aliniază perfect cu viziunea neuroștiinței dezvoltării: circuitele încep cu „schele” predefinite, care sunt ulterior ajustate de simțuri și învățare.

De la laborator la șoareci nou-născuți

Pentru a valida descoperirea, cercetătorii au înregistrat secțiuni din cortexul somatosenzorial al șoarecilor (zona care procesează atingerile). Acești șoareci erau la o vârstă la care majoritatea simțurilor sunt încă în dezvoltare, deci primiseră informații externe minime.

Rezultatul? Neuronii s-au activat și aici în rafale recurente, desfășurate în aceeași ordine strictă, cu un nucleu de celule care „conduceau valul”. Această paralelă între organoizi și țesutul viu confirmă ipoteza: regulile de secvență sunt încorporate în modul în care cresc aceste circuite.

Interesant este că, în culturile plate (2D) de neuroni corticali, deși existau rafale de activitate, lipseau secvențele ordonate din organoizi (3D) și secțiunile reale. Acest lucru sugerează că o structură tridimensională este crucială pentru formarea acestor secvențe principale. Organizarea bazată pe secvențe pare a fi, așadar, o caracteristică generală a creierului mamiferelor, evoluția modelând circuitele să asambleze „hărți temporale” înainte de contactul cu lumea.

Ce înseamnă asta pentru medicină: creierul tău este programat să înțeleagă lumea?

Implicațiile sunt uriașe. Deoarece aceste mini-creiere se dezvoltă din celule stem (de la pacienți sau persoane sănătoase), cercetătorii pot compara modul în care secvențele se desfășoară în cazul diferitelor afecțiuni.

Dacă o boală modifică momentul activării celulelor principale sau modul în care altele se alătură secvenței, am putea detecta probleme de asamblare înainte ca simptomele să apară. Acest model permite studierea unor tulburări precum microcefalia și epilepsia, oferind acces la etape de creștere a creierului imposibil de studiat direct la oameni.

Măsurarea acestor secvențe timpurii ar putea explica de ce unele afecțiuni perturbă percepția sau cogniția încă de la început. Mai mult, platformele de înregistrare pot urmări cum se schimbă secvențele după administrarea unui medicament, deschizând calea pentru tratamente care să restabilească tiparele normale de sincronizare – vital pentru tulburările unde medicamentele actuale doar atenuează simptomele, fără a repara conexiunile.

În concluzie, înregistrările organoidelor și ale șoarecilor neonatali indică un creier care își începe viața cu reguli preconfigurate. Înțelegerea lor ne-ar putea arăta cum învață sugarii atât de repede și cum să tratăm tulburările în timp ce creierul este încă „în construcție”.

Studiul a fost publicat în revista științifică Nature Neuroscience.