«Ο εγκέφαλος είναι ένα καταπληκτικό δίκτυο επικοινωνιών», λέει ο Jose Rizo-Rey, καθηγητής Βιοφυσικής στο Southwestern Medical Center του Πανεπιστημίου του Τέξας. “Όταν ένα κύτταρο διεγείρεται από ηλεκτρικά σήματα, συμβαίνει πολύ γρήγορη σύντηξη συναπτικών κυστιδίων. Οι νευροδιαβιβαστές βγαίνουν από το κύτταρο και συνδέονται με υποδοχείς στη συναπτική πλευρά. Αυτό είναι το σήμα και αυτή η διαδικασία είναι πολύ γρήγορη.” Το πώς ακριβώς αυτά τα σήματα συμβαίνουν τόσο γρήγορα – σε λιγότερο από 60 μικροδευτερόλεπτα ή εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου – είναι το επίκεντρο μελέτης. Το ίδιο συμβαίνει και με την απορρύθμιση αυτής της διαδικασίας στους νευρώνες, η οποία προκαλεί μια σειρά από νευρολογικές καταστάσεις, από το Αλτσχάιμερ έως τη νόσο του Πάρκινσον.
Δεκαετίες έρευνας οδήγησαν σε μια ενδελεχή κατανόηση των κύριων πρωτεϊνικών παικτών και των ευρειών εγκεφαλικών επεισοδίων της σύντηξης μεμβράνης για συναπτική μετάδοση. Ο Bernard Katz τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Ιατρικής το 1970, εν μέρει, καθώς απέδειξε ότι η χημική συναπτική μετάδοση αποτελείται από ένα συναπτικό κυστίδιο γεμάτο νευροδιαβιβαστή που συγχωνεύεται με την πλασματική μεμβράνη στις νευρικές απολήξεις και απελευθερώνει το περιεχόμενό του στο αντίθετο μετασυναπτικό κύτταρο. Και ο μακροχρόνιος συνεργάτης του Rizo-Rey, Thomas Südhof, κέρδισε το Νόμπελ Ιατρικής το 2013 για τις μελέτες του σχετικά με τον μηχανισμό που μεσολαβεί στην απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών.
Αλλά ο Rizo-Rey λέει ότι στόχος του είναι να κατανοήσει τον τρόπο με τον οποίο συμβαίνει η διαδικασία ενεργοποίησης της σκέψης με πολύ περισσότερες λεπτομέρειες. «Αν μπορώ να το κατανοήσω αυτό, η κατάκτηση του βραβείου Νόμπελ θα ήταν απλώς μια μικρή ανταμοιβή», σημειώνει. Πρόσφατα, χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή Frontera στο Texas Advanced Computing Center (TACC), ο Rizo-Rey εξερεύνησε αυτή τη διαδικασία, δημιουργώντας ένα μοντέλο πολλών εκατομμυρίων ατόμων των πρωτεϊνών, των μεμβρανών και του περιβάλλοντός τους, για να τα θέσει σε κίνηση εικονικά, με σκοπό να δει τι συμβεί. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως μοριακή δυναμική. Γράφοντας στο eLife τον Ιούνιο του 2022, ο Rizo-Rey και οι συνεργάτες του παρουσίασαν προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής με όλα τα άτομα της σύντηξης συναπτικών κυστιδίων. Η έρευνα τους δείχνει ένα σύστημα, όπου αρκετές εξειδικευμένες πρωτεΐνες περιμένουν την παράδοση ιόντων ασβεστίου για να πυροδοτήσουν τη σύντηξη. «Είναι έτοιμα να κυκλοφορήσουν, αλλά δεν το κάνουν», εξηγεί. “Γιατί; Περιμένουν το σήμα ασβεστίου”.
Η μελέτη αντιπροσωπεύει μια επιστροφή στις υπολογιστικές προσεγγίσεις για τον Rizo-Rey, ο οποίος θυμάται ότι χρησιμοποίησε τον αρχικό υπερυπολογιστή Cray στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Συνέχισε να χρησιμοποιεί κυρίως πειραματικές μεθόδους όπως η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού τις τελευταίες τρεις δεκαετίες για να μελετήσει τη βιοφυσική του εγκεφάλου. “Οι υπερυπολογιστές δεν ήταν αρκετά ισχυροί για να επιλύσουν αυτό το πρόβλημα του τρόπου μετάδοσης στον εγκέφαλο. Έτσι, για μεγάλο χρονικό διάστημα, χρησιμοποιούσα άλλες μεθόδους”, σημείωσε. «Ωστόσο, με τον Frontera, μπορώ να μοντελοποιήσω 6 εκατομμύρια άτομα και να έχω πραγματικά μια εικόνα του τι συμβαίνει στο σύστημα».
Οι προσομοιώσεις του Rizo-Rey καλύπτουν μόνο τα πρώτα μικροδευτερόλεπτα της διαδικασίας σύντηξης, αλλά ο ίδιος υποθέτει ότι η πράξη της σύντηξης θα πρέπει να συμβαίνει σε αυτό το χρονικό διάστημα.