Ο εγκέφαλος ως οριγκάμι: Τέχνη, ιατρική και νευροηθική

Αν με μια προσεκτική ματιά διατρέχαμε όλες τις περίπλοκες πτυχώσεις και τσακίσεις του ανθρώπινου εγκεφάλου, θα βλέπαμε μπροστά μας ένα αριστούργημα της φύσης, κατασκευασμένο με την αρχαία ιαπωνική τέχνη του οριγκάμι.

Όπως ακριβώς ένα απλό φύλλο χαρτί μεταμορφώνεται σε εντυπωσιακούς γερανούς και λουλούδια με την κατάλληλη δίπλωση, έτσι και στον εγκέφαλο, οι έλικες και οι αύλακές του χωρούν, στα στενά όρια του κρανίου, μια τεράστια επιφάνεια, χάρη στην οποία σκεφτόμαστε, επικοινωνούμε, ονειρευόμαστε και δημιουργούμε. Το χάρτινο ομοίωμα του εγκεφάλου, που κατασκεύασε ο master του οριγκάμι Brian Chan χωρίς να κόψει παρά τσακίζοντας περίτεχνα το χαρτί, αποτυπώνει με ακρίβεια την εύθραυστη και πολύπλοκη δομή του.

Ωστόσο, η σύνδεση ανάμεσα στον εγκέφαλο και τo οριγκάμι ξεπερνά τα όρια της αισθητικής· γίνεται έμπνευση για επαναστατικές ιατρικές καινοτομίες, από λεπτεπίλεπτα χειρουργικά εργαλεία έως εμφυτεύματα που ξεδιπλώνονται σαν χάρτινα γλυπτά, παντρεύοντας την επιστήμη, την τέχνη και την ιατρική.

Ένα πόστερ 50 x 50 εκ. κρυμμένο στο κεφάλι μας

Κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη, ο εγκέφαλος ξεκινά ως μια λεία στοιβάδα κυττάρων, όπως ένα άγραφο φύλλο χαρτιού έτοιμο για οριγκάμι και, συν τω χρόνω, μετασχηματίζεται σε μια πολύπλοκη, αυλακωτή δομή μέσω της ελίκωσης (gyrification).

Χάρη στη διαδικασία της ελίκωσης, η επιφάνεια του εγκεφαλικού φλοιού αυξάνεται θεαματικά, φτάνοντας στους ενήλικες τα 2.500 τετραγωνικά εκατοστά -όσο περίπου ένα πόστερ 50 x 50 εκ.- χωρίς να αλλάζει σημαντικά ο συνολικός όγκος του εγκεφάλου. Οι πτυχώσεις αυτές επιτρέπουν στα 100 περίπου δισ. νευρώνες να δημιουργήσουν περισσότερες από 100 τρισ. συνάψεις, σχηματίζοντας τα δίκτυα που καθιστούν δυνατές τις νοητικές λειτουργίες.

Ο εγκέφαλος διπλώνεται με τρόπο σχεδόν καλλιτεχνικό, σαν να καθοδηγείται από ένα αόρατο χέρι. Οι επιστήμονες τον παρομοιάζουν με το μοτίβο Miura-ori του οριγκάμι, όπου οι παράλληλες πτυχώσεις επιτρέπουν σε ένα φύλλο να διπλώνεται και να ξεδιπλώνεται αρμονικά. Ο εγκεφαλικός φλοιός, μεγαλώνοντας ταχύτερα από τα βαθύτερα στρώματα, αρχίζει να διπλώνεται σε έλικες και αύλακες, όπως το χαρτί υπό πίεση.

Το ανθρώπινο οριγκάμι δεν αφήνει περιθώρια για λάθη. Προβλήματα στη διαδικασία της ελίκωσης μπορεί να οδηγήσουν σε συγγενείς δυσπλασίες όπως η λυσεγκεφαλία ή σύνδρομο Miller-Dieker, όπου τμήμα ή ολόκληρη η επιφάνεια του εγκεφάλου εμφανίζεται λεία, χωρίς δηλαδή έλικες και αύλακες, η πολυμικρογυρία, με ανωμαλίες στην οργάνωση των στρωμάτων του εγκεφαλικού φλοιού που οδηγούν σε επιληπτικές κρίσεις. Η σχιζοφρένεια και οι διαταραχές αυτιστικού φάσματος έχουν επίσης συνδεθεί με λεπτές διαφορές στην ελίκωση του εγκεφάλου, υποδεικνύοντας πόσο κρίσιμη είναι αυτή η φάση στην εξέλιξη της εγκεφαλικής λειτουργίας.

Μελετώντας τις «τσέπες» και τα τσακίσματα της αφίσας που κρύβεται διπλωμένη στο κεφάλι μας, οι επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν καλύτερα τις νευρολογικές διαταραχές και να ανακαλύψουν νέα θεραπευτικά μονοπάτια.

Οριγκάμι που σώζουν ζωές

Συσκευές εμπνευσμένες από τα χάρτινα γλυπτά οριγκάμι εφαρμόζονται πλέον σε διάφορους τομείς της βιοϊατρικής, όπως η καρδιολογία, η μικροχειρουργική και η χορήγηση φαρμάκων.

Μπορούμε να φανταστούμε ένα στεντ σε σχήμα μικρού χάρτινου γερανού, να περνά μέσα από μια τομή λίγων χιλιοστών και να φτάνει σε ένα φραγμένο αγγείο, όπου ξεδιπλώνεται για να αποκαταστήσει τη ροή του αίματος. Αυτού του τύπου τα εμφυτεύματα, κατασκευασμένα από κράματα μνήμης σχήματος -μπορούν να «θυµούνται» το αρχικό τους σχήµα ακόµα και µετά από μεγάλες παραµορφώσεις-, όπως το τιτάνιο-νικέλιο (Ni-rich TiNi), σχεδιασμένα ώστε να διπλώνουν ως 12 mm και να ξεδιπλώνουν έως 23 mm, προσφέρουν λύσεις για τη στήριξη αγγείων ή του οισοφάγου με τη μικρότερη δυνατή παρέμβαση.

Με παρόμοια λογική, ρομποτικοί βραχίονες κατασκευασμένοι κατά τα πρότυπα του οριγκάμι μπορούν να κινούνται με ακρίβεια μέσα σε δυσπρόσιτα ανατομικά πεδία. Στη λαπαροσκοπική χειρουργική, τέτοια εργαλεία επιτρέπουν στους γιατρούς να δουλεύουν μέσα από τομές μικρές όσο μια κλειδαρότρυπα, μειώνοντας τον μετεγχειρητικό πόνο και τον κίνδυνο λοίμωξης, επιταχύνοντας, παράλληλα, την ανάρρωση.

Στο Πανεπιστήμιο Cornell, ο καθηγητής Itai Cohen με την ομάδα του αναπτύσσουν στο εργαστήριο μικρορομπότ μόλις μερικών εκατοντάδων μικρομέτρων -τόσο μικρά, που χωρούν επάνω στον αριθμό «1» ενός μονόλεπτου του ευρώ. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν πτυχές εμπνευσμένες από το οριγκάμι για να δώσουν σχήμα και λειτουργία στα απειροελάχιστα μηχανικά σώματα, που κατασκευάζονται από εξαιρετικά λεπτά φύλλα γραφενίου, πάχους μόλις μερικών ατόμων, με ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά κύτταρα και συστήματα που ανταποκρίνονται στο φως (μικροπάνελ) για ελεγχόμενη κίνηση.

Σύμφωνα με τους ίδιους, οι δυνατότητες είναι απεριόριστες, «οτιδήποτε φαντάζεστε ότι μπορεί να γίνει σε επίπεδο μακροκλίμακας»: μικροχειρουργικές επεμβάσεις με ακρίβεια κυτταρικού επιπέδου, στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων ή για την αναδόμηση ιστών από το εσωτερικό του σώματος, φορητές διαγνωστικές συσκευές με μικρορομπότ που μιμούνται τις κινήσεις των βλεφαρίδων των κυττάρων, μεταφορά υλικών ή κατασκευή εξαρτημάτων σε κλίμακες που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν απρόσιτες.

Ακόμα και η χειρουργική εκπαίδευση έχει επηρεαστεί από το οριγκάμι. Οι χειρουργοί εξασκούνται στην κατασκευή χάρτινων φιγούρων σε περιορισμένο χώρο, μιμούμενοι την ακρίβεια που απαιτείται για τα λαπαροσκοπικά εργαλεία, βελτιώνοντας τις δεξιότητές τους με κάθε τσάκιση και δίπλωμα.

Κιριγκάμι για τη μελέτη του εγκεφάλου

Πέρα από το οριγκάμι, που στηρίζεται αποκλειστικά στη δίπλωση, οι επιστήμονες εστιάζουν και σε παραλλαγές όπως το κιριγκάμι, που ενσωματώνει και στρατηγικές τομές (κοψίματα), για μεγαλύτερη ευελιξία. Η τεχνική βρίσκει εφαρμογή στη
νευροχειρουργική, με την ανάπτυξη εμφυτευμάτων και ηλεκτροδίων που ακολουθούν την καμπυλωτή γεωμετρία του εγκεφάλου. Τεντώνονται, αναδιπλώνονται, προσαρμόζονται, σαννιάφανο δίχτυ που απλώνεται με φροντίδα πάνω στον ιστό.

Στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ, οι Δρ. Sergiu Pasca και Bianxiao Cui, ύστερα από μια τυχαία συζήτηση σε καφέ, κατέληξαν στη δημιουργία ηλεκτοδίων κιριγκάμι για την καταγραφή της δραστηριότητας εγκεφαλικών οργανοειδών, μικρoσκοπικών, εργαστηριακά καλλιεργημένων μοντέλων εγκεφαλικού ιστού. Το εύκαμπτο, σχεδόν υφασμένο υλικό τους, τους επιτρέπει να «αγκαλιάζουν» απαλά την επιφάνεια χωρίς να την τραυματίζουν, καταγράφοντας με ακρίβεια τα ηλεκτρικά σήματα και την επικοινωνία των εγκεφαλικών κυττάρων, ξεκλειδώνοντας μυστικά για την ανάπτυξη και δυσλειτουργία του εγκεφάλου.

Σε άλλη καινοτομία, ερευνητές των Πανεπιστημίων της Οξφόρδης και του Κέιμπριτζ σχεδίασαν ηλεκτρόδια σε στυλ οριγκάμι για ασθενείς με επιληψία. Λεπτά φύλλα σιλικόνης με 32 ενσωματωμένα ηλεκτρόδια, διπλώνονται σαν ακορντεόν ώστε να περάσουν από μια σχισμή μόλις 6 mm στο κρανίο -πέντε φορές μικρότερη από αυτές των παραδοσιακών επεμβάσεων.

Μόλις εισαχθούν, ξεδιπλώνονται για να καλύψουν μεγαλύτερη περιοχή του εγκεφάλου και να καταγράψουν τη δραστηριότητα. Οι πρώτες δοκιμές σε ζωικά μοντέλα δείχνουν πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα, με στόχο την
εφαρμογή σε ανθρώπους τα επόμενα χρόνια.

Μονοκύτταρο οριγκάμι - Το μικρότερο γλυπτό της ζωής

Η μεταφορά του οριγκάμι φτάνει στις πιο μικροσκοπικές διαστάσεις της ζωής. Στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ, οι ερευνητές Manu Prakash και Eliott Flaum μελέτησαν το Lacrymaria olor, έναν μονοκύτταρο οργανισμό που τεντώνεται και μαζεύεται
σαν ζωντανό έργο οριγκάμι. Χωρίς νευρικό σύστημα, «ξεδιπλώνει» έναν λαιμό μήκους 1.500 μικρομέτρων -αναλογικά, σαν ένας άνθρωπος να φτάνει σε ύψος τα 60 μέτρα- χάρη σε ελικοειδείς δομές που διπλώνουν και ξεδιπλώνονται σε μοτίβο που οι επιστήμονες ονόμασαν «λακρυγκάμι» (lacrygami).

Αυτό το κυτταρικό οριγκάμι, το οποίο διατηρεί πλήρως τη λειτουργία του ακόμη και μετά από 50.000 διπλώσεις και εκτάσεις, αποκαλύπτει ότι η γεωμετρία δεν είναι απλώς μορφή, αλλά μοίρα. Η συμπεριφορά του L. olor είναι κυριολεκτικά «εγγεγραμμένη» στη γεωμετρική αρχιτεκτονική του κυτταροσκελετού του, με ελικοειδείς μικροσωληνίσκους να καθοδηγούν με απόλυτη ακρίβεια κάθε δίπλωση και κάθε έκταση. Τίποτα δεν είναι τυχαίο· υπάρχει μόνο ένας τρόπος να διπλωθεί και να ξεδιπλωθεί, σαν να υπακούει σε έναν άκαμπτο γεωμετρικό νόμο.

Το L. olor αποκαλύπτει πώς η γεωμετρία μπορεί να ελέγχει τη συμπεριφορά ενός ζωντανού οργανισμού, με τρόπο τόσο ακριβή και επαναλαμβανόμενο όσο ένας μηχανισμός. Όπως τα νευρωνικά κυκλώματα του εγκεφάλου δομούν τη σκέψη και τη συμπεριφορά, έτσι και το L. olor μετατρέπει τη γεωμετρία σε κίνηση.

Οι ανακαλύψεις αυτές ανοίγουν νέους ορίζοντες για τη μικροτεχνολογία: από αναδιπλούμενα διαστημικά όργανα μέχρι «ζωντανές μηχανές» σε κυτταρική κλίμακα, που ίσως μια μέρα ταξιδεύουν στις πτυχώσεις του ανθρώπινου σώματος για να
μεταφέρουν φάρμακα ή να επιδιορθώνουν ιστούς με ασύλληπτη ακρίβεια.

Η γεωμετρία της ηθικής

Η επιρροή του οριγκάμι εκτείνεται πέρα από τη βιολογία και την τεχνολογία, εισχωρώντας στον κόσμο της νευροηθικής, όπου κάθε δίλημμα μοιάζει με μια πτύχωση στο χαρτί, μια γραμμή που διαχωρίζει το σωστό από το λάθος. Οι πτυχές του εγκεφάλου μας επιτρέπουν την ενσυναίσθηση, την κρίση και τη λήψη αποφάσεων, αλλά τι καθορίζει τα όρια της ηθικής μας σκέψης;

Ορισμένοι νευροεπιστήμονες, όπως ο Michael Gazzaniga, υποστηρίζουν πως η ηθική είναι εγγεγραμμένη στον εγκέφαλό μας, σαν ένα καθολικό σύστημα αντιδράσεων βαθιά χαραγμένο στους νευρώνες μας. Ωστόσο, μια «οριγκαμική» προσέγγιση της ηθικής βλέπει τόσο σταθερές όσο και ευέλικτες πτυχές: ορισμένες αρχές είναι κοινές σε όλους, σαν τις προκαθορισμένες γραμμές ενός χάρτη, ενώ άλλες αφήνουν περιθώριο για επιλογή και διαμόρφωση, σαν ένα λευκό φύλλο χαρτί που περιμένει να πάρει σχήμα από τον δημιουργό του.

Η μεταφορά αυτή, παρατηρεί ο William P. Cheshire, Jr., Καθηγητής Νευρολογίας στην Κλινική Mayo, υπενθυμίζει πως οι ηθικές αποφάσεις, όπως και οι πτυχώσεις ενός οριγκάμι, πρέπει να ακολουθούν τη δομή της πραγματικότητας για να έχουν νόημα. Όπως για να δημιουργήσεις έναν χάρτινο γερανό πρέπει να κάνεις συγκεκριμένες κινήσεις στο δίπλωμα, έτσι και οι ηθικές μας επιλογές απαιτούν συνέπεια και αποτελέσματα.

Η ικανότητα του εγκεφάλου να μετατρέπει τις σκέψεις σε πράξεις μοιάζει με την τέχνη του οριγκάμι: υπογραμμίζει πως η ηθική είναι συνδυασμός της φύσης και των προθέσεών μας.

* Με πληροφορίες από το The Center for Bioethics & Human Dignity