كشف العلماء للتو عن الخريطة الأكثر اكتمالا لقشرة القرد حتى الآن

قام فريق دولي بقيادة علماء صينيين ببناء أطلس كامل لقشرة قرد المكاك حتى الآن. تحتوي القشرة ، وهي الطبقة الخارجية من الدماغ ، على العديد من وظائفنا المعرفية العزيزة: القدرة على التفكير واتخاذ القرارات والتكيف مع البيئات المتغيرة باستمرار.

بالمقارنة مع الحيوانات الأخرى ، فإن الرئيسيات - بما في ذلك البشر - لديها قشرة متوسعة بشكل كبير. لطالما اعتقد العلماء أن هذا الشذوذ التطوري هو ما يمنح أدمغتنا القدرة على إدارة الحسابات المعقدة.

ولكن كيف؟

قد يكون السر مخفيًا في العديد من أنواع الخلايا في القشرة وكيفية تنظيمها. الموضوع الرئيسي في علم الأحياء هو "الهيكل يحدد الوظيفة". مثل بناء جهاز كمبيوتر من نقطة الصفر ، يمكن لكل مكون وموضعه وأسلاكه تغيير الأداء.

يمكن لفهرسة الموقع الدقيق لكل خلية في قشرة القرد أن تساعد في فك رموز - وربما إعادة إنشاء رقمي - القواعد التي تجعل قشرة الرئيسيات قوة حسابية.

الدراسة، نشرت in الموبايل ، إلى أداة جديدة نسبيًا لرسم خرائط الدماغ. مُسَمًّى ستيريو- seq ، تستخرج التقنية المعلومات الجينية - الترنسكريبتوم - من خلايا متعددة في وقت واحد ، مضيفة طبقة بيانات جديدة إلى موضع كل خلية.

أنشأ الفريق بصمة جزيئية لكل خلية عن طريق تسجيل نشاط ما يقرب من 500 جين. بعد ذلك ، وبفضل جرعة كبيرة من الذكاء الاصطناعي ، صنفوا ما يقرب من 1.5 مليون خلية من 143 منطقة إلى أنواع خلايا مميزة ورسموا خريطة لموقعها في القشرة الدماغية.

لقد قدم المشروع بالفعل بعض الأفكار. تميل خلايا الدماغ إلى العمل في مجموعات. تفضل بعض الأنواع شركة بعض الخلايا الأخرى ، مما يشير إلى أنها تشكل شبكات عصبية محلية. الخلايا العصبية التي تكثف أو تثبط نشاط الدماغ الكلي لديها أيضًا نقاط مفضلة ، حيث تتغير أعدادها بين المناطق القشرية والعمق.

أيضًا ، عند مقارنتها بأطلس دماغ الفأر ، وجدت الخريطة الجديدة عدة أنواع من الخلايا خاصة بالرئيسيات متجمعة معًا في طبقة واحدة من القشرة.

"تكوين خلايا الدماغ وتوزيعه المكاني هي القضايا الأساسية لعلوم الدماغ ، وأهميتها مماثلة لتسلسل قاعدة الحمض النووي الذي اكتشفه تسلسل الجينوم البشري ،" محمد مؤلف الدراسة الدكتور Chengyu Li في الأكاديمية الصينية للعلوم. تشبه قشرة المكاك دماغنا ، وتقدم هذه الدراسة الخريطة الأكثر اكتمالا من نوعها.

كعكة عصبية غامضة

القشرة هي بنية متقنة من ست طبقات مليئة بأنواع مختلفة من الخلايا العصبية وخلايا الدماغ الأخرى.

عادةً ما تكون الخلايا العصبية هي نجمة العرض: تتصل هذه الخلايا التي يتم تنشيطها كهربائيًا بالشبكات العصبية لمعالجة المعلومات. يساعد النوعان الرئيسيان في تحقيق التوازن بين مستوى نشاط الدماغ الكلي. خلايا الجلوتامات مثيرة للإثارة ، وتزيد من حسابات الدماغ. خلايا GABAergic مثبطة ، مما يقلل من نشاط الشبكة.

تكمل الخلايا غير العصبية الصورة. يساعد البعض في حماية الدماغ من الالتهابات. يدعم البعض الآخر التمثيل الغذائي العصبي وتنظيف النفايات الجزيئية. إنها ليست شخصيات جانبية: تظهر الدراسات الحديثة أنها تلعب دورًا مهمًا في تشكيل الشبكات العصبية في التطور المبكر وفي محاربة الاضطرابات التنكسية العصبية مثل مرض الزهايمر.

ركزت الدراسة الجديدة بشكل أساسي على خلايا الدماغ هذه.

تشريح وتقطيع

قام الفريق بتحليل أدمغة ثلاثة ذكور من قرود المكاك. مع أكثر من ستة مليارات خلية ، فإن أدمغتهم قريبة من الناحية التطورية من أدمغتنا.

للبدء ، قام الفريق بتقطيع الدماغ بعناية من الأمام إلى الخلف بعدة جروح من الخبراء. تم استخدام واحد ، بسماكة ورق الطابعة تقريبًا ، لتسلسل الملف الجيني لكل خلية.

كانت الشرائح الأخرى ، المجاورة للكتل السميكة للحفاظ على التكامل المكاني ، أرق. إلى نصف هؤلاء ، أضاف الفريق صبغة تتوهج في الظلام تلتقط البروتينات المنتشرة في الجزء الخارجي من الخلايا العصبية. تسهل هذه الخطوة تحديد المواقع التشريحية المميزة في القشرة.

تم استخراج بيانات الدفعة الثانية من الشرائح الرفيعة للغاية عن طريق أداة Stereo-seq الجديدة. فكر في هذه الخطوة وهي تعمل ككاميرا رقمية ، ولكن بدلاً من التقاط وحدات البكسل ، فإنها تلتقط بيانات التعبير الجيني من كل خلية في شكل messenger RNA (mRNA). والنتيجة هي لقطة من جميع الجينات النشطة لأي خلية في أي لحظة.

الهدف هنا هو تصوير نسخة كل خلية مع الحفاظ على المعلومات حول الموقع الفعلي لكل خلية. مثل مستشعر الكاميرا ، تبدأ العملية بشريحة سيليكون بحجم ختمين تقريبًا. تتمتع الشريحة المصممة حديثًا بمجال رؤية أوسع بكثير من التكرارات السابقة - مثل هاتف في الوضع البانورامي - مما يسهل مسح مناطق الدماغ الأكبر حجمًا.

منقط على كل شريحة صفيفات ثنائية الأبعاد من الكرات النانوية للحمض النووي للاستيلاء على الرنا المرسال. تم تلوين أغشية الخلايا بالأصباغ لمساعدة الفريق على مطابقة بصمة نسخة مع مضيفها.

باستخدام خوارزميات متعددة للذكاء الاصطناعي ، مزج الفريق كل مجموعات البيانات هذه في أول أطلس ثلاثي الأبعاد أحادي الخلية في العالم لقشرة المكاك. تم تفصيل كل نوع خلية في الخريطة ، جنبًا إلى جنب مع تصنيف من ثلاثة مستويات يوضح كيف تختلف الخلايا من خلال القشرة.

على سبيل المثال ، يعبر نوع من الخلايا العصبية المثيرة في الطبقتين الثانية والثالثة في القشرة عن جين "منظم رئيسي" لإشارات الإجهاد في الدماغ. ترتبط الخلايا الرئيسية الثلاث في الدماغ - الجلوتامات ، و GABA ، والخلايا غير العصبية - بالتسلسل الهرمي البنيوي للقشرة ، مع وجود بعضها أكثر وفرة عبر مناطقها وأعماقها.

مورد للتطور

توسعت القشرة بشكل هائل في الرئيسيات وغالبًا ما يُنظر إليها على أنها مقر الإدراك العالي. في تحليل آخر ، قارن الفريق خريطة دماغ القرد بالخريطة الموجودة فأر و الانسان أطالس لاستكشاف أنواع خلايا جديدة خاصة بالرئيسيات.

حدد الاختبار مجموعة من الخلايا المثيرة في الطبقة الرابعة من قشرة الرئيسيات الغائبة في الفئران. كانت الخلايا مركزة بشكل كبير في مقدمة الدماغ - وهي منطقة تدعم الإدراك العالي - مع جينات مرتبطة سابقًا باللغة ونمو الدماغ والتوحد.

جعل الفريق المورد مجانيًا لأي شخص. إنه يوفر وفرة من البيانات لمعالجة السؤال القديم حول كيف تؤدي البنية إلى الذكاء - ومتى ولماذا وكيف تتلعثم أدمغتنا في الأمراض العصبية. قال الدكتور Xun Xu إن النتائج قد "تعزز أيضًا اختراقات في مجال علم الدماغ ، مثل الذكاء المستوحى من الدماغ وواجهات الدماغ والحاسوب."

كل مجموعة البيانات مفتوحة المصدر. العب به هنا.

الصورة الائتمان: مكاك أطلس النسخ المكانية / BGI

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/