Historie sukcesu RTD - Opracowywanie protez sterowanych umysłem
Niektóre odruchy obserwowane u organizmów żywych są wrodzone i uprzednio "zaprogramowane", np. połykanie, oddychanie, a nawet dbanie o higienę. Pozostałe są efektem uczenia się na podstawie prób i błędów. Uczestnicy finansowanego przez UE projektu o nazwie "Neuronowe mechanizmy uczenia się czynności, badane na przykładzie myszy" ('Neural mechanisms of action learning in mouse models' - Neuroaction) analizowali zmiany neurologiczne (zmiany w obrębie mózgu, rdzenia kręgowego oraz układu nerwowego), zachodzące podczas uczenia się nowych zachowań w odpowiedzi na bodźce, fakty i zdarzenia. Odkrycia poczynione w ramach projektu niosą nadzieję osobom cierpiącym na schorzenia neurodegeneracyjne, takie jak choroba Parkinsona i choroba Huntingtona, i być może umożliwią ofiarom urazu rdzenia kręgowego, amputacji i innych zdarzeń odzyskanie mobilności dzięki protezom sterowanym umysłem. Uczestnicy projektu Neuroaction poszukiwali odpowiedzi na pytania dotyczące sposobu, w jaki mózg inicjuje i kontroluje różnorakie działania, w jaki poprawia ich dokładność i szybkość, w oparciu o metodę prób i błędów, w jaki uczy się, że poszczególne czynności prowadzą do danych rezultatów i celów, a także w jaki przyczynia się do wyrabiania się nawyków. Istoty ludzkie początkowo uczą się, gdyż chcą osiągnąć dany cel, następnie zaś wyrabiają w sobie nawyki - przykładem może być prowadzenie samochodu z domu do pracy. Powyższe zjawiska były wyjątkowo interesujące dla naukowców uczestniczących w projekcie Neuroaction w kontekście prowadzonych przez nich badań nad zrozumieniem mechanizmów stojących za poszukiwaniem narkotyków w przypadku uzależnienia od nich. "Wyniki prac badawczych pomogą nam lepiej zrozumieć w jaki sposób następuje automatyzacja czynności i pojawiają się nawyki, a także w jaki sposób podejmujemy codzienne decyzje", tłumaczy dr Rui Costa, naukowiec uczestniczący w projekcie Neuroaction. "Mamy także nadzieję, że nasze prace pomogą lepiej zrozumieć uzależnienia i kompulsje, gdyż wiele narkotyków zaburza powyższe mechanizmy”. Uczenie się nowych umiejętności zachodzi w obszarze mózgu zwanym ciałem prążkowanym. Jednak dokładne mechanizmy i powiązania określające rolę ciała prążkowanego w zdobywaniu i scalaniu umiejętności nie zostały w pełni zbadane. Celem trwającego nadal projektu Neuroaction było lepsze zrozumienie mechanizmów umożliwiających adaptację sieci cząsteczkowych w tym obszarze mózgu. Wyniki powyższych prac wskazują, że w synapsach zlokalizowanych na pograniczu ciała prążkowanego i kory mózgowej (obszaru mózgu odpowiedzialnego za wyższe czynności układu nerwowego) można zaobserwować długoterminową "plastyczność", pojawiającą się podczas uczenia się nowych umiejętności, która jest niezbędnym elementem ich rozwijania i zapamiętywania. "Pragnęliśmy zbadać, czy obwody nerwowe, odpowiedzialne za odruchy bezwarunkowe lub nawyki, różnią się od obwodów odpowiedzialnych za nasze celowe działania", tłumaczy dr Costa. "W szczególności pragnęliśmy, zbadać czy różne obwody zlokalizowane w obrębie ciała prążkowanego pośredniczą pomiędzy nowo poznanymi umiejętnościami, a odruchami bezwarunkowymi”. Uczestnicy projektu odkryli, że obwody przebiegające przez przyśrodkową część ciała prążkowanego, odpowiedzialną za wybór działań, ocenę oraz wartościowanie wyborów, mają większe znaczenie w przypadku nowych czynności. Natomiast obwody zlokalizowane w bocznej części ciała prążkowanego, odpowiedzialnej za szybkość realizacji zadań oraz za przyzwyczajenia, odpowiadają za czynności wykonywane automatycznie, takie jak prowadzenie samochodu w drodze do domu, czy jazda na rowerze. Uczestnicy projektu wierzą ponadto, że możliwe jest modyfikowanie działania bocznej części ciała prążkowanego, co być może pozwoli odpowiednio kontrolować wszczepione protezy. Powyższe odkrycia być może otworzą wrota do opracowania protez sterowanych umysłem, zapewniających pełną mobilność osobom, które doznały urazu rdzenia kręgowego, zostały poddane amputacji kończyn, czy też z innych powodów nie są w pełni sprawne. Co więcej, w ramach inicjatywy Neuroaction zbadano potencjalne powiązania pomiędzy nieprawidłowym działaniem ciała prążkowanego i kory mózgowej, a schorzeniami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Parkinsona i choroba Huntingtona. "Z naszych badań wynika, że komórki, które obumierają w wyniku choroby Huntingtona i Parkinsona występują w dużych ilościach w obszarach mózgu odpowiedzialnych za automatyzację czynności i wypracowywanie nawyków", tłumaczy dr Costa. Dzięki specjalistycznym urządzeniom i zasobom zespół projektowy badał aktywność poszczególnych obszarów ciała prążkowanego na różnych etapach uczenia się nowych umiejętności, w oparciu o zmodyfikowane genetycznie myszy. Uczenie się od zwierząt Genetyczna modyfikacja myszy umożliwiła uczestnikom projektu wpływanie na konkretne obwody, podczas gdy zastosowanie optogenetyki (połączenia technik optycznych i genetycznych, pozwalającego kontrolować pojedyncze neurony - komórki nerwowe, które przekazują informacje pomiędzy tkankami) umożliwiło manipulowanie tymi obwodami z dużą precyzją. Aktywność obwodów nerwowych monitorowano następnie stosując podejście elektrofizjologiczne, polegające na badaniu elektrycznych właściwości komórek i tkanek biologicznych. "Obrane przez nas podejście bazowało na określeniu zadań, których zwierzęta mogą się nauczyć, automatyzując następnie wykonywanie nowych czynności, a także na modyfikowaniu obwodów nerwowych w sposób umożliwiający badanie neurologicznych podstaw powyższych procesów", tłumaczy dr Costa. Wstępne wyniki prac badawczych dostarczyły ważnych danych na temat procesów uczenia się nowych umiejętności, a następnie korzystania z nich, a także na temat rozwijania się upośledzeń obserwowanych w przypadku zaburzeń neurodegeneracyjnych i psychicznych. "Odkryliśmy, że różnorakie obwody faktycznie odpowiadają za wstępne nabywanie umiejętności, a następnie za automatyzację korzystania z nich", dodaje dr Costa. "Co więcej, odkryliśmy, że istotną rolę w procesie automatyzacji i wyrabiania się nawyków odgrywa dopamina, obecna w obszarze mózgu zwanym częścią zbitą istoty czarnej ('substantia nigra pars compacta')". Dopamina jest neuroprzekaźnikiem, który pomaga kontrolować ośrodek przyjemności (zwany także układem nagrody), podczas gdy część zbita istoty czarnej odgrywa pośrednią rolę w sterowaniu ruchami. Powyższe prace projektowe są finansowane do kwoty 100 000 euro w ramach Działań Marie Curie, będących unijnym funduszem stypendialnym, zarządzanym przez Agencję Wykonawczą ds. Badań Naukowych ('Research Executive Agency' - REA). Projekt uzyskał także grant na rozpoczęcie badań naukowych w wysokości 1 500 000 euro od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych ('European Research Council' - ERC). Badania uczestników projektu Neuroaction nad powiązaniami pomiędzy obwodami nerwowymi a zachowaniami będą kontynuowane pod egidą inicjatywy Ludzki Umysł ('Human Brain Project' - HBP), który Unia Europejska określiła jako jeden z flagowych projektów w dziedzinie przyszłych i nowych technologii. Projekt HBP będzie realizowany od 2013 roku do 2023 roku. Naukowcy, w tym dr Costa, będą odpowiedzialni za pozyskanie danych na temat złożonych systemów zlokalizowanych wewnątrz mózgu oraz za stworzenie modeli obliczeniowych tych systemów. - Pełna nazwa projektu: Neural mechanisms of action learning in mouse models - Akronim projektu: Neuroaction - strona internetowa projektu Neuroaction - Numer referencyjny projektu: 239527 - Nazwa/kraj pochodzenia koordynatora projektu: Dr José Mário Leite, Instituto Gulbenkian de Ciência, Lizbona (Portugalia) - Całkowity budżet projektu: 100 000 euro - Wsparcie KE: 100 000 euro - Data rozpoczęcia/zakończenia projektu: Od sierpnia 2009 do lipca 2013 - Pozostałe kraje partnerskie: Brak