Καθηγητή Χάρη Βάρβογλη
Η χρήση της λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας στην έρευνα του εγκεφάλου θεωρείται δικό του «παιδί» και ο διαπρέπων έλληνας ερευνητής πραγματοποίησε με τη βοήθειά της άλματα στην κατανόηση του πολυτιμότερου οργάνου μας
Ο μεγάλος ζωγράφος Σαλβατόρ Νταλί είχε αντιληφθεί τη δυσκολία του εγκεφάλου να επιλέξει ανάμεσα σε δύο εξίσου «λογικές» ερμηνείες μιας εικόνας και είχε ζωγραφίσει τη δεκαετία του 1940 πολλούς σχετικούς πίνακες. Εδώ, ένας πίνακας του 1941 μπορεί να ερμηνευθεί ως ένα κεφάλι με μάσκα, αλλά προσεκτικότερη παρατήρηση δείχνει ότι τα «μάτια» του κεφαλιού είναι στην πραγματικότητα δύο πρόσωπα, η μάσκα τα ρούχα τους και το ίδιο το κεφάλι ένα ψαθωτό φόντο
Τι είναι το μυαλό του ανθρώπου: ένας πολύπλοκος ηλεκτρονικός υπολογιστής ή η έδρα της ψυχής, που έχουν οι άνθρωποι αλλά δεν έχουν τα ζώα; Πολλές απαντήσεις έχουν ακουστεί, αλλά καμία δεν μπορεί να είναι πειστική αν πρώτα δεν προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε σε βάθος πώς λειτουργεί η σκέψη μας. Ο Ελληνας Νίκος Λογοθέτης, διευθυντής του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ Βιολογικής Κυβερνητικής στο Τίμπινγκεν (Tubingen) της Γερμανίας, έχει θέσει για στόχο της ερευνητικής του δραστηριότητας αυτήν ακριβώς την κατανόηση. Και μέχρι σήμερα έχει καταφέρει πολλά, αφού βρίσκεται στην πρωτοπορία αυτού του τόσο σύγχρονου κλάδου της Βιολογίας, αλλά και τόσο παλαιού προβλήματος της Φιλοσοφίας.
Το απεικονιστικό άλμα
Από την εποχή του ιταλού γιατρού και φυσικού Λουίτζι Γκαλβάνι (Luigi Galvani), στα τέλη του 18ου αιώνα, είχε γίνει κατανοητό ότι οι εντολές κίνησης των μυών των ζώων και του ανθρώπου δεν είναι τίποτε περισσότερο από ηλεκτρικά ρεύματα, που διαδίδονται κατά μήκος των νεύρων. Ομως από τότε ως το δεύτερο μισό του 20ού αιώνα πολύ λίγη πρόοδος είχε γίνει στην κατανόηση της λειτουργίας του κεντρικού νευρικού συστήματος, όπως αποκαλείται ο εγκέφαλος στην Ιατρική. Την εποχή που ο Νίκος Λογοθέτης άρχισε να ασχολείται με τη μελέτη της λειτουργίας της όρασης, η έρευνα του ανθρώπινου εγκεφάλου γινόταν βασικά με δύο μεθόδους: το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα και την εμφύτευση ηλεκτροδίων σε σημεία του εγκεφάλου. Τότε ξαφνικά έγινε δυνατή η χρήση ενός πανίσχυρου όπλου, της λειτουργικής Μαγνητικής Τομογραφίας (λΜΤ, αγγλικά fMRI από τις αγγλικές λέξεις functional Magnetic Resonance Imaging).
Οι περισσότεροι από εμάς γνωρίζουμε τη Μαγνητική Τομογραφία (MRI) από ιατρικές εξετάσεις στις οποίες έχουμε υποβληθεί. Η σημαντική διαφορά που δηλώνει η λέξη «λειτουργική» είναι ότι, αντί να παίρνουμε ακίνητες εικόνες, παίρνουμε ένα βίντεο λειτουργίας της περιοχής του ανθρώπινου σώματος που απεικονίζουμε. Ο Νίκος Λογοθέτης ήταν αυτός που απέδειξε ότι, πραγματικά, οι εικόνες που παίρνουμε από τη λΜΤ και καταγράφουν τη μεταβολή της ποσότητας του οξυγόνου στον εγκέφαλο συνδέονται άμεσα με τη δραστηριότητα των νευρώνων του (όπως αποκαλούνται τα νευρικά κύτταρα του εγκεφάλου). Ετσι έγινε για πρώτη φορά δυνατό να «δούμε» τον ανθρώπινο εγκέφαλο την ώρα ακριβώς που «σκέπτεται» και διαπιστώσαμε ότι ο εγκέφαλος είναι πράγματι πολύ πιο πολύπλοκος από όσο νομίζαμε ως τότε.
Η σκέψη είναι...ομαδική δουλειά
Η ομάδα του καθηγητή Λογοθέτη έδειξε ότι το «σήμα» που συσχετίζεται με την εικόνα της μαγνητικής τομογραφίας δεν είναι η γρήγορη «ενεργοποίηση» μεμονωμένων νευρώνων. Είναι μάλλον η βραδύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα ομάδων νευρώνων, που δέχονται και ολοκληρώνουν πληροφορίες. Αυτή ήταν και η πρώτη ένδειξη ότι ο εγκέφαλος είναι ένα πολύπλοκο δυναμικό σύστημα, όπου η ποικιλία δυνατών καταστάσεων του συστήματος είναι απείρως πιο μεγάλη από την ποικιλία των καταστάσεων στις οποίες είναι δυνατόν να βρεθούν οι μεμονωμένοι νευρώνες. Οπως χαρακτηριστικά λέει ο ίδιος: «Ενα μυρμήγκι αντιλαμβάνεται 20 μόλις διαφορετικά ερεθίσματα. Κι όμως, ένας πληθυσμός μυρμηγκιών έχει τη δυνατότητα να κατασκευάζει αυτές τις πολύπλοκες μυρμηγκοφωλιές, με ένα αρχιτεκτονικό δίκτυο αιθουσών που δεν είναι εύκολο ακόμη και να καταγραφεί».
Από εκείνη την εποχή η ερευνητική ομάδα του Νίκου Λογοθέτη έχει κάνει ερευνητικά άλματα. Το κυριότερο είναι ότι έχει αναπτύξει μια μέθοδο «συνεργασίας» μεταξύ τριών διαφορετικών μεθόδων απεικόνισης της εγκεφαλικής λειτουργίας: τη λειτουργική Μαγνητική Τομογραφία, τη χρήση τετραπλών ηλεκτροδίων και την ανίχνευση ιόντων ασβεστίου. Για τη λΜΤ μιλήσαμε ήδη. Τα τετραπλά ηλεκτρόδια έχουν τέσσερις επαφές και είναι εμπνευσμένα από τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτροκαρδιογραφήματα και στην πειραματική Φυσική της στερεάς κατάστασης, για τον χαρακτηρισμό των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υλικών. Η δε ποσότητα των ιόντων του ασβεστίου είναι βασική πληροφορία νευρικής δραστηριότητας, αφού τα ιόντα αυτού του μετάλλου, πέρα από δομικά στοιχεία των οστών, αποτελούν και τον «αγγελιαφόρο» με τον οποίο ένα ηλεκτρικό σήμα διαβιβάζεται μεταξύ νευρώνων. Την τελευταία χρονιά η ομάδα του Τίμπινγκεν εφαρμόζει αυτή τη νέα τριπλή μέθοδο στη μελέτη της διαδικασίας της μνήμης, με πολύ θετικά αποτελέσματα.
Αναζητώντας τα μυστικά της όρασης
Οι περισσότεροι μη ειδικοί, όταν σκέπτονται τη λειτουργία της όρασης, φέρνουν στο μυαλό τους τη διαδικασία της αποτύπωσης της εικόνας στο μάτι μας και τη μεταφορά αυτής της εικόνας, μέσω του οπτικού νεύρου, στον εγκέφαλο. Ομως αυτό είναι το απλούστερο, για να μην πω, τετριμμένο, κομμάτι της συνολικής λειτουργίας της όρασης. Το σημαντικότερο κομμάτι, αυτό που συνήθως διαφεύγει της αντίληψής μας, επειδή το θεωρούμε «αυτονόητο», είναι η διαδικασία με την οποία ο εγκέφαλος αναλύει την εικόνα και καταλήγει σε συγκεκριμένα συμπεράσματα. Για παράδειγμα, πώς αντιλαμβανόμαστε ότι η εικόνα που βλέπουμε είναι ένα τραπέζι και όχι ένα ζώο, αφού και τα δύο έχουν τέσσερα πόδια; Εμένα προσωπικά πολλές φορές με έχει απασχολήσει το ερώτημα πώς ένας σκύλος αναγνωρίζει από μακριά έναν άλλο σκύλο, παρ' όλο που αυτός ο άλλος μπορεί να έχει οποιοδήποτε μέγεθος, χρώμα τριχώματος, ράτσα, ύψος, βάρος, ή ακόμη να έχει ή να μην έχει ουρά. Είναι φανερό ότι ο εγκέφαλος επεξεργάζεται την οπτική πληροφορία με ένα «λογισμικό» πολύ πιο εξελιγμένο από αυτά που χρησιμοποιούμε στους σημερινούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές για την αναγνώριση αντικειμένων, π.χ. από μια φωτογραφία της επιφάνειας της Γης παρμένη από δορυφόρο. Δεν είναι δύσκολο λοιπόν να καταλάβουμε γιατί η νέα κατεύθυνση της Βιολογίας, που ασχολείται ακριβώς με την επεξεργασία των πληροφοριών που δέχεται από τις αισθήσεις μας ο εγκέφαλος, πήρε την ονομασία Βιολογική Πληροφορική.
Αμφίσημη εικόνα που έφτιαξε ο Νίκος Λογοθέτης με την ευκαιρία του εορτασμού των 80 χρόνων του Φράνσις Κρικ, βραβείο Νομπέλ Φυσιολογίας - Ιατρικής 1962 για την ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA. Αποτελείται από δύο κατοπτρικά προφίλ του μεγάλου επιστήμονα, τα οποία όμως ερμηνεύει ο εγκέφαλός μας και ως ένα κύπελλοΑπό την αρχή της ερευνητικής καριέρας του ο Νίκος Λογοθέτης ασχολήθηκε με αυτό ακριβώς το θέμα, δηλαδή την επεξεργασία της οπτικής πληροφορίας από τον εγκέφαλο. Η επιτυχία του βασίστηκε στην ικανότητά του να επινοεί πειραματικές τεχνικές που θα μπορούσαν να επιτρέψουν τη στοιχειώδη, κατ' αρχήν, ανάλυση της διαδρομής της οπτικής πληροφορίας στον εγκέφαλο και της συνακόλουθης διαδοχικής επεξεργασίας της. Ετσι σήμερα διαθέτουμε έναν «χάρτη» αυτής της διαδρομής, που δείχνει τα διάφορα κέντρα του εγκεφάλου που ασχολούνται με αυτήν ακριβώς τη διαδικασία. Το ενδιαφέρον, που δείχνει και την ποιοτική διαφορά του ανθρώπινου εγκεφάλου από έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή της σημερινής εποχής, είναι ότι ο μικρός αριθμός των νευρώνων, η συμπεριφορά των οποίων μας δίνει το αίσθημα της αντίληψης, είναι κατανεμημένος σε ολόκληρο τον οπτικό δρόμο και όχι σε μια συγκεκριμένη περιοχή, όπως ίσως θα περίμενε κάποιος.
Με όπλο τον διοφθαλμικό ανταγωνισμό
Βασικό αρχικό στοιχείο κάθε επιστημονικής θεωρίας είναι η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη και πληρέστερη συλλογή πληροφοριών. Πώς όμως μπορέσαμε να συλλέξουμε τόσο πολλές πληροφορίες για ένα όργανο το οποίο δεν είναι δυνατόν να «διαλύσουμε» για να μελετήσουμε πώς λειτουργεί; Εδώ ακριβώς υπεισέρχεται η πειραματική και αναλυτική επινοητικότητα του Λογοθέτη και των άλλων ερευνητών. Σκέφτηκαν να εκμεταλλευτούν φαινόμενα της οπτικής αντίληψης γνωστά από παλιά, τα οποία είναι σχετικά εύκολο να «μετρηθούν» αντικειμενικά. Ενα από αυτά είναι το φαινόμενο που αποκαλείται διοφθαλμικός ανταγωνισμός (binocular rivalry).
Ο καθένας μας μπορεί να αντιληφθεί τι ακριβώς είναι αυτό το φαινόμενο, με ένα απλό πείραμα. Κρατήστε με το δεξί σας χέρι ένα χαρτονένιο κύλινδρο, π.χ. από χαρτί κουζίνας, μπροστά στο δεξί σας μάτι. Κρατήστε το αριστερό σας χέρι, με την παλάμη προς το πρόσωπό σας, σε απόσταση περίπου 10 εκατοστών από το αριστερό σας μάτι. Στην αρχή θα έχετε την εντύπωση ότι το χέρι σας έχει μια τρύπα, καθώς ο εγκέφαλος επικεντρώνεται στο ερέθισμα από το δεξί μάτι. Ομως έπειτα από μερικά δευτερόλεπτα η «τρύπα» θα «γεμίσει» με μια θαμπή αντίληψη ολόκληρης της παλάμης σας από το αριστερό μάτι. Αν συνεχίζεται να κοιτάτε, οι δύο εικόνες θα εναλλάσσονται, καθώς ο εγκέφαλός σας επιλέγει πρώτα το οπτικό ερέθισμα από το ένα μάτι και στη συνέχεια το οπτικό ερέθισμα από το άλλο μάτι.
Το φαινόμενο αυτό χρησιμοποίησε ο Νίκος Λογοθέτης για να «χαρτογραφήσει» τον εγκέφαλο. Χρησιμοποίησε για πειραματόζωα εκπαιδευμένους πιθήκους, οι οποίοι είχαν μάθει να πιέζουν ένα μοχλό όταν έβλεπαν μια εικόνα και έναν άλλο μοχλό όταν έβλεπαν μια άλλη. Με ένα ειδικό σύστημα προβολής, στο ένα μάτι των πιθήκων προβαλλόταν μια εικόνα και στο άλλο μάτι μια άλλη. Στη συνέχεια οι ερευνητές κατέγραφαν την εναλλαγή της ανταπόκρισης των πιθήκων και τη συνέκριναν με τρεις πειραματικές καταγραφές: (α) τις εικόνες της εγκεφαλικής δραστηριότητας που έπαιρναν από τη λΜΤ για διάφορες περιοχές οπτικής δραστηριότητας του εγκεφάλου, (β) τα στοιχεία από το εγκεφαλογράφημα, και (γ) τα ηλεκτρικά σήματα από ηλεκτρόδια σε επαφή με τον εγκέφαλο των πιθήκων. Η ομάδα του Τίμπινγκεν έχει εξελίξει πειράματα αυτού του είδους σε πολύ μεγάλο βαθμό, έτσι ώστε αυτή τη στιγμή να βρίσκεται στην πρωτοπορία της Βιολογικής Κυβερνητικής και να έχει σχηματίσει μια εξαιρετικά μεγάλη βάση πειραματικών δεδομένων, την οποία προσπαθεί να αναπαραγάγει με μαθηματικά μοντέλα μη γραμμικής δυναμικής πολύπλοκων συστημάτων. Είναι βάσιμο να ελπίζουμε ότι σύντομα θα σηκωθεί, έστω και σε μια μικρή μόνο γωνιά, ο πέπλος μυστηρίου που καλύπτει τη λειτουργία της έδρας της συνείδησής μας.
Εγκέφαλος: μηχανή έσω-έξω
Από τις μέχρι σήμερα μελέτες προκύπτει ότι ο εγκέφαλος είναι πράγματι ένα πολύπλοκο σύστημα, με μια όμως επιπλέον «δυσκολία». Φαίνεται ότι και οι στοιχειώδεις μονάδες στις οποίες μπορεί να αναλυθεί ο εγκέφαλος είναι και αυτές, με τη σειρά τους, πολύπλοκα συστήματα. Ο εγκέφαλος χαρακτηρίζεται τόσο από εξαιρετικά μεγάλη δομική πολυπλοκότητα όσο και από μεγάλο αριθμό συνδέσεων μεταξύ νευρώνων, που και τα δύο εξελίσσονται χρονικά ανάλογα με τις εμπειρίες μας. Η δε επεξεργασία των πληροφοριών γίνεται τόσο σε παράλληλα κανάλια όσο και ιεραρχικά. Η τελική εικόνα του εγκεφάλου, που προκύπτει από τις μέχρι τώρα έρευνες, είναι ότι πρόκειται για ένα σύστημα του οποίου οι διεργασίες δημιουργούν συνειδησιακές καταστάσεις σε απόκριση όχι μόνο ερεθισμάτων από τις αισθήσεις μας αλλά και εσωτερικών σημάτων που αντιπροσωπεύουν τις προσδοκίες μας, με βάση προηγούμενες εμπειρίες μας. Κατ' αρχήν, λοιπόν, θα μπορούσαμε να χαρτογραφήσουμε τα δίκτυα νευρώνων που στηρίζουν αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Το έργο είναι τεράστιο, και φαίνεται ότι η απάντηση στο αρχικό ερώτημα αυτού του άρθρου, αν δηλαδή ο εγκέφαλος είναι ένας πολύπλοκος ηλεκτρονικός υπολογιστής ή η έδρα της ψυχής, θα αργήσει ακόμα. Ομως η επιτυχία μας στην ταυτοποίηση νευρώνων που συμμετέχουν στην αίσθηση της συνείδησης είναι ήδη μια καλή αρχή.
Από τη μουσική στη Βιολογία
Φωτογραφία εποχής του συγκροτήματος ΠεΛόΜα ΜποΚιού στον Λυκαβηττό. Ο Νίκος Λογοθέτης είναι ακριβώς στο κέντροΠολλοί από εμάς έχουμε ακούσει το όνομα του Νίκου Λογοθέτη, έστω και συγκεκομμένο, στο όνομα του παλιού μουσικού συγκροτήματος ΠεΛόΜα ΜποΚιού - ήταν το Λο. Στο συγκρότημα έπαιζε βασικά όργανα με πλήκτρα, αφού είχε ήδη σπουδές πιάνου επτά ετών στο Ωδείο Αθηνών. Γρήγορα όμως τον κέρδισε η επιστήμη και, ύστερα από ένα πρώτο πτυχίο Μαθηματικών το 1977 από το Πανεπιστήμιο Αθηνών, πήρε και ένα δεύτερο πτυχίο Βιολογίας το 1980 από το ΑΠΘ. Στο πανεπιστήμιό μας μερικοί τον θυμούνται ακόμα, αφού ήταν ο μοναδικός φοιτητής στα χρονικά που είχε δηλώσει ως κατ' επιλογή το μάθημα των Ετεροκυκλικών Οργανικών Ενώσεων, κατά γενική παραδοχή το δυσκολότερο μάθημα του Τμήματος Χημείας. Στη συνέχεια το 1985 πήρε Διδακτορικό στη Νευροβιολογία του ανθρώπου από το Πανεπιστήμιο του Μονάχου και τα επόμενα 12 χρόνια εργάστηκε στις ΗΠΑ, πρώτα ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο ΜΙΤ και στη συνέχεια ως καθηγητής στο Κολέγιο Ιατρικής Μπέιλορ του Χιούστον. Από το 1996 μετακόμισε και πάλι στην Ευρώπη, ως διευθυντής του Ινστιτούτου Βιολογικής Κυβερνητικής στο Τίμπινγκεν της Γερμανίας, το οποίο ανήκει στο δίκτυο των ερευνητικών ινστιτούτων Μαξ Πλανκ της Γερμανίας. Η μεγάλη και πολύ αξιόλογη ερευνητική απόδοση του καθηγητή Λογοθέτη και της 50μελούς ομάδας του ώθησε τη διοίκηση του Ιδρύματος Μαξ Πλανκ να προχωρήσει στην ανέγερση ενός κτιρίου με εντυπωσιακό εξοπλισμό. Αυτή τη στιγμή το Ινστιτούτο έχει στη διάθεσή του έναν «μεγάλο» λειτουργικό Μαγνητικό Τομογράφο με μαγνητικό πεδίο 7 Τέσλα, δηλαδή 70.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης, καθώς και έναν μικρότερο με μαγνητικό πεδίο 4,7 Τέσλα. Για σύγκριση ο καλύτερος ιατρικός μαγνητικός τομογράφος έχει μαγνητικό πεδίο 2,5 Τέσλα. Το Ινστιτούτο διαθέτει ακόμη δύο πλήρως εξοπλισμένα χειρουργεία, για τις ανάγκες της εμφύτευσης ηλεκτροδίων στο κρανίο των πειραματόζωων, και ένα τμήμα μηχανουργείου που ο Νίκος Λογοθέτης λέει με χαρά ότι είναι το μεγαλύτερο που υπάρχει σε ερευνητικό ίδρυμα. Εκεί άλλωστε έχουν κατασκευαστεί και τα περισσότερα εξαρτήματα των τομογράφων, εκτός από τους ίδιους τους μαγνήτες. Ιδιοκατασκευή των επιστημόνων του Ινστιτούτου είναι και το λογισμικό που χρησιμοποιούν οι υπολογιστές για την απεικόνιση των σημάτων των τομογράφων.
Η ερευνητική δραστηριότητα του καθηγητή Λογοθέτη σε αριθμούς είναι εντυπωσιακή. Εχει δημοσιεύσει περίπου 300 άρθρα στα καλύτερα επιστημονικά περιοδικά, 28 από τα οποία στην κορυφαία επιθεώρηση των Θετικών Επιστημών Nature. Τα άρθρα αυτά έχουν συγκεντρώσει 14.000 αναφορές, εκ των οποίων 2.000 την τελευταία χρονιά. Είναι φυσικό μια τόσο σημαντική παραγωγή να απορροφά το σημαντικότερο τμήμα της καθημερινής ζωής του Νίκου. Το σπίτι του βρίσκεται δίπλα από το κτίριο του Ινστιτούτου, έτσι ώστε να μπορεί να είναι στο γραφείο του πάνω από 10 ώρες την ημέρα, σχεδόν επτά ημέρες την εβδομάδα. Αυτό όμως δεν τον εμποδίζει τις ώρες της χαλάρωσης, στο σπίτι του, να παίζει πιάνο με τη συντροφιά της γυναίκας του Οξάνα και του γιου τους Φιοντόρ.
Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ
ΠΗΓΗ: ΕΦΗΜΕΡΙΔΑ ΤΟ ΒΗΜΑ - ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ 1/7/2012
