Cercetătorii clujeni au dezvoltat o metodă revoluționară de înțelegere a activității creierului

Metoda, dezvoltată de o echipă de cercetători de la Institutul Transilvan pentru Neuroştiinţe şi Universitatea „Babeş-Bolyai”, deschide noi perspective de cercetare în domeniul neuroştiinţelor, dar poate fi utilizată şi în studierea unor afecţiuni precum autismul, depresia, traumatismele craniene ori alcoolismul.

 

O echipă de cercetători de la Institutul Transilvan pentru Neuroştiinţe (TINS) şi Universitatea Babeş-Bolyai (UBB) Cluj-Napoca „a dezvoltat o metodă revoluţionară care simplifică şi ajută la înţelegerea volumelor foarte mari de date complexe obţinute prin scanarea creierului cu rezonanţă magnetică nucleară funcţională (RMNf sau fMRI) sau prin electroencefalogramă (EEG)”, informează UBB.

Rezultatele cercetării au fost publicate în numărul din luna august al jurnalului Cell Systems și constituie rezultatul unei colaborări de aproape zece ani între cercetătorii clujeni Ercsey-Ravasz Maria, Raul Mureşan, Varga Levente, Vasile Moca și Molnar Botond de la TINS şi UBB, cu cei de la Universitatea Miguel Hernandez din Alicante și Universitatea Politehnică din Valencia din Spania şi Universitatea Heidelberg din Germania.

 

Cercetarea a pornit în anul 2015, de la o problemă care ţine de faptul că tehnologiile de scanare, precum RMNf, dar şi alte tehnologii, oferă o cantitate foarte mare de date, greu de interpretat, care pot duce la rezultate contradictorii.

„Noi am căutat o metodă care să producă unităţi de măsură, biomarkeri, cu care poţi să detectezi prezenţa unor boli sau afecţiuni şi să pui un diagnostic în ceea ce priveşte activitatea cerebrală. Metoda găsită e una extrem de sensibilă şi robustă în acelaşi timp”, explică Maria Ercsey-Ravasz, fizician, cercetător la UBB și la Institutul Transilvan pentru Neuroștiințe, unul dintre autorii articolului publicat în revista Cell Systems.

Ca exemplu, testele preliminare făcute de echipa de cercetare, dar care necesită validări ulterioare, arată că aplicarea acestei metode pentru persoane aflate în diferite stadii de comă ar putea anticipa care sunt într-o stare care ar putea fi reversibilă și care nu, precizează UBB.

 

Reţelele funcţionale reprezintă legăturile dintre activările ariilor din creier, cu alte cuvinte arată „care arii «vorbesc» între ele, la un moment dat. Pentru ca aceste reţele funcţionale să fie reprezentative trebuie să se ţină cont de două caracteristici importante ale activităţii creierului. Aceasta se schimbă foarte mult de la un moment la altul, fenomen cunoscut şi prin numele de non-staţionaritate. În al doilea rând, ariile creierului se pot activa cu întârziere unele faţă de altele. Metodele tradiţionale nu tratează în mod satisfăcător aceste două aspecte şi ca urmare construiesc reţele funcţionale care nu sunt suficient de reprezentative pentru activitatea complexă a creierului. Din acest motiv, metodele tradiţionale necesită volume foarte mari de date pentru rezultate concludente (înregistrări mai lungi sau colectarea datelor de la un număr mare de oameni), arată cercetătorii clujeni”, se menţionează în comunicatul UBB.

 

Potrivit cercetătorilor clujeni, metoda inovează în două moduri. În primul rând, în construcţia reţelelor funcţionale sunt căutate legăturile dintre arii care sunt cele mai puternice, ţinând cont de întârzierile care pot apărea între activitatea diverselor arii. În al doilea rând, abordează non-staţionarităţile cu ajutorul unor distribuţii, nu prin medierea multor valori, cum se face în mod tradiţional. „Ideea metodei s-a inspirat din teoria sistemelor complexe din fizică. Pentru exemplificare, asemănăm evoluţia unui sistem complex (cum e creierul) cu traiectoria unui fluture care zboară în cercuri în jurul unei flori. Dacă se face o medie a poziţiei locurilor prin care trece fluturele, putem trage concluzia eronată că fluturele este undeva în mijloc, poate chiar pe floare. Ceea ce este fals. Însă dacă ne uităm la distribuţia poziţiilor pe orizontală sau verticală ne dăm seama că fluturele se mişcă în jurul florii. Deci obţinem mult mai multă informaţie relevantă despre comportamentul fluturelui. Acelaşi principiu e aplicat şi în metoda propusă de cercetătorii clujeni”, se arată în comunicatul UBB.

 

Utilizarea metodei are importanţă atât pentru viitoare cercetări ştiinţifice fundamentale, cât şi pentru identificarea unor boli şi afecţiuni altfel greu de detectat, pe baza scanării activităţii cerebrale. Datele analizate în studiu (obţinute în urma scanărilor RMNf) au fost culese de la mai multe specii de mamifere – şoareci, marmosete (o specie de maimuţe pitice) şi oameni, iar faptul că rezultatele sunt similare indică robusteţea metodei, susţin cercetătorii implicaţi în studiu.

„UBB este principala zonă de expertiză din ţară în psihologie/ştiinţe cognitive (clinice) cu implicaţii de lidership academic şi clinic în sănătatea mintală/tulburările psihice, cu extensii recente în ultimii ani la nivel implementaţional (neurobiologic – neuroştiinţe cognitive clinice, neurogenetică comportamentală etc.). Parteneriatul ştiinţific cu TINS a unit forţe academice din zona neuroştiinţelor din Cluj-Napoca, ceea ce, pe fondul unei infrastructuri de tip world-class (e.g., RMN clinic 7 Tesla, RMN preclinic 11 Tesla; EEG avansat etc.), generează contribuţii relevante nu doar naţional, ci de referinţă la nivel internaţional”, precizează rectorul UBB, prof. univ. dr. psih. Daniel David.

 

Rezultatele au fost posibile printr-o colaborare internaţională care a reunit experţi din diverse domenii, cu o echipă multidisciplinară. Cercetătoare la UBB şi liderul unui laborator la TINS, Maria Ercsey-Ravasz are o vastă experienţă în fizica reţelelor complexe, iar Raul Mureşan conduce, la TINS, laboratorul care se concentrează pe dezvoltarea de instrumente avansate pentru analiza seriilor cronologice şi este afiliat UBB în cadrul parteneriatului strategic cu Institutul STAR UBB.

Importanța metodei a fost reliefată și de conducerea editorială a Cell Systems, care și-a ilustrat coperta variantei tipărite a numărului din luna august cu o imagine din cercetarea la care au contribuit cercetătorii clujeni, respectiv, o imagine cu clasificarea distribuției distanței nodurilor zonelor de pe suprafața creierului uman, indicată de harta de culori, menționează UBB.

 

Cercetarea a fost finanţată prin Programul de cercetare şi inovare Orizont 2020 al Uniunii Europene (SyBill-AA, NEUROTWIN), Programul ERA-Net NEURON al Agenţiei Spaniole de Cercetare (AIE), Fondul European de Dezvoltare Regională (FEDR), Ministerul Sănătăţii din Spania, prin Serviciile Sociale şi Egalitate, Programul PROMETEO al Generalitat Valenciana, Programul Severo Ochoa pentru Centrele de Excelenţă în cercetare şi dezvoltare, Proiectul de parteneriat pentru creierul uman ERANET-FLAG-ERA-ModelDXConsciousness şi proiectul ERANET- NEURON-2-UnscrAMBLY, NO (Norway) grants 2014-2021, Autoritatea Naţională pentru Cercetare Ştiinţifică şi Inovare (ANCS) şi Societatea Germană de Cercetare (DFG). Proiectele naţionale CNCS-UEFISCDI: PN-III-P4-PCE-2021-0408, PN-III-P3-3.6-H2020-2020-0109, PN-III-P1-1.1-TE-2021-0709.