Forskere har netop afsløret det mest komplette kort over abebarken endnu

Forskere har netop afsløret det mest komplette kort over abebarken endnu

Tidsstempel: 14. juli 2023 kl. 10
Scientists Just Unveiled the Most Complete Map of the Monkey Cortex Yet PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Et internationalt hold ledet af kinesiske videnskabsmænd har netop bygget det mest komplette atlas over makakabens cortex til dato. Det yderste lag af hjernen, cortex, huser mange af vores dyrebare kognitive funktioner: evnen til at ræsonnere, træffe beslutninger og tilpasse sig stadigt skiftende miljøer i farten.

Sammenlignet med andre dyr har primater - inklusive mennesker - en massivt udvidet cortex. Forskere har længe troet, at denne evolutionære særhed er det, der giver vores hjerner evnen til at styre komplekse beregninger.

Men hvordan?

Hemmeligheden kan være gemt i cortex's mange celletyper, og hvordan de organiserer sig. Et nøgletema i biologi er "struktur bestemmer funktion." Ligesom at bygge en computer fra bunden, kan hver komponent og dens placering og ledninger ændre ydeevnen.

At katalogisere den præcise placering af hver celle i abebarken kan hjælpe med at afkode - og måske digitalt genskabe - de regler, der gør primatbarken til et beregningsmæssigt kraftcenter.

Undersøgelsen, offentliggjort in Cell, også udnyttet et relativt nyt værktøj til hjernekortlægning. Hedder Stereo-seq, teknologien udtrækker genetisk information - transkriptomet - fra flere celler på én gang, og tilføjer et nyt datalag til hver celles position.

Holdet skabte et molekylært fingeraftryk for hver celle ved at registrere aktiviteten af ​​omkring 500 gener. Derefter, takket være en stor dosis AI, kategoriserede de næsten 1.5 millioner celler fra 143 regioner i forskellige celletyper og kortlagde deres placering i cortex.

Projektet har allerede givet nogle indsigter. Hjerneceller har en tendens til at virke i kliker. Nogle typer foretrækker selskabet med visse andre celler, hvilket tyder på, at de danner lokale neurale netværk. Neuroner, der enten øger eller dæmper den overordnede hjerneaktivitet, har også foretrukne pletter, hvor deres antal skifter mellem kortikale regioner og dybde.

Også sammenlignet med et musehjerneatlas fandt det nye kort adskillige celletyper, der er specifikke for primater, samlet i ét lag af cortex.

"Hjernens cellesammensætning og dens rumlige fordeling er de grundlæggende spørgsmål inden for hjernevidenskab, og dens betydning ligner den DNA-basesekvens, der er opdaget ved sekventering af menneskets genom," sagde studieforfatter Dr. Chengyu Li ved det kinesiske videnskabsakademi. Den makake hjernebark er ligesom vores, og denne undersøgelse tilbyder det mest komplette kort af sin art.

En gådefuld neural kage

Cortex er en omfattende seks-lags struktur pakket med forskellige typer neuroner og andre hjerneceller.

Neuroner er normalt stjernen i showet: disse elektrisk aktiverede celler forbindes til neurale netværk for at behandle information. De to hovedtyper hjælper med at balancere hjernens overordnede aktivitetsniveau. Glutamaterge celler er excitatoriske og øger hjernens beregninger. GABAerge celler er hæmmende, hvilket sænker netværksaktivitet.

Ikke-neurale celler fuldender billedet. Nogle hjælper med at beskytte hjernen mod infektioner. Andre understøtter neural metabolisme og renser molekylært affald. De er ikke bikarakterer: Nylige undersøgelser viser, at de spiller en afgørende rolle i udformningen af ​​neurale netværk i tidlig udvikling og for at bekæmpe neurodegenerative lidelser som Alzheimers.

Den nye undersøgelse fokuserede hovedsageligt på disse hjerneceller.

Udskæring og udskæring

Holdet analyserede hjerner fra tre voksne hanmakakaber. Med over seks milliarder celler er deres hjerner evolutionært tæt på vores.

Til at starte med snittede holdet omhyggeligt hjernen fra front til bag med adskillige ekspertudskæringer. Den ene, omtrent tykkelsen af ​​printerpapir, blev brugt til at sekvensere hver celles genetiske profil.

Andre skiver, der støder op til de tykkere blokke for at opretholde rumlig integritet, var endnu tyndere. Til halvdelen af ​​disse tilføjede holdet et glød-i-mørke-farvestof, der griber ind i proteiner, der prikker ydersiden af ​​neuronerne. Dette trin gør det nemt at få øje på forskellige anatomiske placeringer i cortex.

Den anden batch af ultratynde skiver fik deres genetiske data udtrukket ved hjælp af det nye Stereo-seq-værktøj. Tænk på, at dette trin fungerer som et digitalkamera, men i stedet for at fange pixels, fanger det genekspressionsdata fra hver celle i form af messenger-RNA (mRNA). Det resulterende "transkriptom" er et øjebliksbillede af alle aktive gener for enhver celle til enhver tid.

Målet her er at afbilde hver celles transkriptom og samtidig bevare information om hver celles fysiske placering. Ligesom en kamerasensor starter processen med en siliciumchip, der er omtrent på størrelse med to frimærker. Den nydesignede chip har et langt bredere synsfelt end tidligere iterationer - som en telefon i panoramatilstand - hvilket gør det nemmere at scanne større hjerneområder.

Prikket på hver chip er 2D-arrays af DNA-nanokugler til at gribe ind i mRNA. Cellemembraner blev farvet med farvestoffer for at hjælpe holdet med at matche et transkriptom-fingeraftryk til dets vært.

Ved hjælp af flere AI-algoritmer masede holdet alle disse datasæt til verdens første tredimensionelle, enkeltcellede atlas over makakbarken. Hver celletype er detaljeret på kortet sammen med en taksonomi i tre niveauer, der illustrerer, hvordan celler adskiller sig gennem cortex.

For eksempel udtrykker en type excitatorisk neuron i lag to og tre i cortex et "master regulator"-gen til stresssignalering i hjernen. Alle tre af hjernens hovedceller - glutamat-, GABA- og ikke-neuronceller - korrelerer med cortex's strukturelle hierarki, med nogle mere rigelige på tværs af dens regioner og dybder.

En ressource til evolution

Cortex udvidede sig enormt hos primater og ses ofte som sædet for højere kognition. I en anden analyse sammenlignede holdet abehjernekortet med det eksisterende mus , menneskelig atlas til at grave nye celletyper op, der er specifikke for primater.

Testen pegede på en gruppe excitatoriske celler i det fjerde lag af primatbarken, som er fraværende i mus. Cellerne var stærkt koncentreret i den forreste del af hjernen - et område, der understøtter højere kognition - med gener, der tidligere var knyttet til sprog, hjerneudvikling og autisme.

Holdet gjorde ressourcen gratis for alle. Det giver et overflødighedshorn af data til at tackle det ældgamle spørgsmål om, hvordan struktur fører til intelligens - og hvornår, hvorfor og hvordan vores hjerner stammer i neurologiske sygdomme. Dr. Xun Xu sagde, at resultaterne også kan "fremme gennembrud inden for hjernevidenskab, såsom i hjerne-inspireret intelligens og hjerne-computer-grænseflader."

Alt datasættet er open source. Leg med det link..

Billede Credit: Macaque Spatial Transcriptomics Atlas / BGI

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub