Cercetătorii clujeni în neuroștiințe au dezvoltat o metodă revoluționară care ajută la înțelegerea creierului

Metoda revoluționară, dezvoltată de specialiști de la TINS și UBB, deschide noi perspective de cercetare, în special în domeniul neuroștiințelor, dar poate fi utilizată și în studierea unor afecțiuni precum autismul, depresia, traumatisme craniene ori alcoolismul.

Cercetători de la Institutul Transilvan pentru Neuroștiințe (TINS) și Universitatea Babeș-Bolyai (UBB) Cluj-Napoca au dezvoltat o metodă revoluționară care simplifică și ajută la înțelegerea volumelor foarte mari de date complexe obținute prin scanarea creierului cu rezonanță magnetică nucleară funcțională (RMNf sau fMRI) sau prin electroencefalogramă (EEG). Metoda deschide noi perspective de cercetare, în special în domeniul neuroștiințelor, dar poate fi utilizată și în studierea unor afecțiuni precum autismul, depresia, traumatisme craniene ori alcoolismul.

Rezultatele cercetării au fost publicate în numărul din luna august al jurnalului Cell Systems, fiind rezultatul unei colaborări de aproape zece ani dintre cercetătorii clujeni de la TINS și UBB cu cei de la Universitatea Miguel Hernandez din Alicante (Spania), Universitatea Politehnică din Valencia (Spania) și Universitatea Heidelberg (Germania). De la Cluj au contribuit Ercsey-Ravasz Maria (cu afiliere UBB, TINS), Raul Mureșan (TINS, Institutul STAR-UBB), Varga Levente (TINS, UBB),Vasile Moca (TINS), Molnar Botond (TINS, UBB).

În ce constă metoda

Problema de la care a pornit cercetarea, în 2015, ține de faptul că tehnologiile de scanare, cum e RMNf (dar și 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 unități de măsură, biomarkeri, cu care poți să detectezi prezența unor boli sau afecțiuni și să pui un diagnostic în ceea ce privește activitatea cerebrală. Metoda găsită e una extrem de sensibilă și robustă, în același timp",explică Ercsey-Ravasz Maria, autor corespondent al articolului publicat în Cell Systems. Ca exemplu, testele preliminare pe care le-au făcut cercetătorii, 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.

Rețelele funcționale reprezintă legăturile dintre activările ariilor din creier, cu alte cuvinte arată care arii „vorbesc" între ele la un moment dat. Pentru ca aceste rețele funcționale să fie reprezentative trebuie ținut cont de două caracteristici importante ale activității creierului. Aceasta se schimbă foarte mult de la un moment la altul, fenomen cunoscut și prin numele de non-staționaritate. În al doilea rând, ariile creierului se pot activa cu întârziere unele față de altele. Metodele tradiționale nu tratează în mod satisfăcător aceste două aspecte și ca urmare construiesc rețele funcționale care nu sunt suficient de reprezentative pentru activitatea complexă a creierului. Din acest motiv, metodele tradiționale necesită volume foarte mari de date pentru rezultate concludente (adică înregistrări mai lungi sau necesitatea colectării de date de la un număr mare de oameni), arată cercetătorii clujeni.

Metoda acestora inovează în două moduri. În primul rând, în construcția rețelelor funcționale sunt căutate legăturile dintre arii care sunt cele mai puternice, ținând cont de întârzierile care pot apărea între activitatea diverselor arii. În al doilea rând, metoda abordează non-staționaritățile cu ajutorul unor distribuții și nu prin medierea multor valori, cum se face în mod tradițional. Ideea metodei s-a inspirat din teoria sistemelor complexe din fizică. Pentru exemplificare, să spunem că asemuim evoluția unui sistem complex (cum e creierul) cu traiectoria unui fluture care zboară în cercuri în jurul unei flori. Dacă se face o medie a poziției 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 distribuția pozițiilor pe orizontală sau verticală ne dăm seama că fluturele se mișcă în jurul florii. Deci obținem mult mai multă informație relevantă despre comportamentul fluturelui. Același principiu e aplicat și în metoda propusă de cercetătorii clujeni.

De ce este important

Utilizarea metodei are importanță atât pentru viitoare cercetări științifice fundamentale, cât și pentru posibilitatea identificării unor boli și afecțiuni, altfel greu de detectat, pe baza scanării activității cerebrale. Datele analizate în studiu (obținute în urma scanărilor RMNf) au fost culese de la mai multe specii de mamifere – șoareci, marmosete (o specie de maimuțe pitice) și oameni, iar faptul că rezultatele sunt similare indică robustețea metodei, susțin cercetătorii implicați în studiu.

"Rezultatele deosebite obținute de cercetătorii de la TINS în parteneriat strategic cu UBB pun România pe harta neuroștiințelor la nivel mondial. Este un exemplu clar de cross-fertilizare și complementaritate între o instituție de cercetare privată, TINS, și o universitate de top din România. În mod important, rezultatele acestui articol deschid o serie întreagă de posibilități de colaborare între cele două instituții, în special în domeniul analizei datelor RMNf", arată Raul Mureșan, președintele TINS.

Colaborare internațională multidisciplinară

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

Cercetarea a fost finanțată prin Programul de cercetare și inovare Orizont 2020 al Uniunii Europene (SyBill-AA, NEUROTWIN), Programul ERA-Net NEURONal Agenției Spaniole de Cercetare (AIE), Fondul European de Dezvoltare Regională (FEDR), Ministerul Sănătății din Spania, prin Serviciile Sociale și Egalitate, Programul PROMETEO al Generalitati Valenciana, Programul Severo Ochoa pentru Centrele de Excelență în cercetare și dezvoltare, Proiectul de parteneriat pentru creierul uman ERANET-FLAG-ERA-ModelDXConsciousness șiproiectul ERANET- NEURON-2-UnscrAMBLY, NO (Norway) grants 2014-2021 nr. contract 20/2020 (RO-NO-2019-0504), Autoritatea Națională pentru Cercetare Științifică și Inovare (ANCS) și Societatea Germană de Cercetare (DFG). Proiectele naționale CNCS-UEFISCDI:PN-III-P4-PCE-2021-0408, PN-III-P3-3.6-H2020-2020-0109,PN-III-P1-1.1-TE-2021-0709.

Despre TINS și STAR UBB

TINS este un institut de cercetare privat, non-profit, fondat de cercetători clujeni din domeniul neuroștiințelor, cu studii și doctorate la instituții de prestigiu din Europa și Statele Unite, întorși acasă cu ambiția de a face aici cercetare de top în neuroștiințe. TINS găzduiește anual, începând cu 2012, unul dintre cele mai importante centre de formare în neuroștiințele experimentale din întreaga lume: Școala de Vară Transilvăneană de Neuroștiințe Experimentale (TENSS), care se desfășoară la Lacul Știucii (Săcălaia, Cluj), și a cărei activitate a fost consemnată inclusiv în revistele Nature și National Geographic.

Institutul de Studii Avansate în Ştiinţă şi Tehnologie (sau Institutul STAR-UBB, de la Scientific and Technological Advanced Research) este un institut de excelenţă al Universității Babeş-Bolyai, înființat în vederea creșterii vizibilității și impactului UBB la nivel internațional și susținerii și promovării experiențelor de internaționalizare pentru membrii comunității academice. Începând cu martie 2021, TINS și UBB au încheiat o alianță strategică.