Wissenschaftler haben gerade die bisher vollständigste Karte des Affen-Kortex enthüllt

Ein internationales Team unter der Leitung chinesischer Wissenschaftler hat gerade den bisher vollständigsten Atlas der Makaken-Affenrinde erstellt. Die äußerste Schicht des Gehirns, der Kortex, beherbergt viele unserer geschätzten kognitiven Funktionen: die Fähigkeit zu denken, Entscheidungen zu treffen und sich spontan an sich ständig ändernde Umgebungen anzupassen.

Im Vergleich zu anderen Tieren haben Primaten – einschließlich des Menschen – einen massiv erweiterten Kortex. Wissenschaftler gehen seit langem davon aus, dass es diese evolutionäre Eigenart ist, die unserem Gehirn die Fähigkeit verleiht, komplexe Berechnungen durchzuführen.

Aber wie?

Das Geheimnis könnte in den vielen Zelltypen des Kortex und ihrer Organisation verborgen liegen. Ein Schlüsselthema in der Biologie ist „Struktur bestimmt Funktion“. Wie beim kompletten Aufbau eines Computers kann jede Komponente sowie ihre Platzierung und Verkabelung die Leistung beeinflussen.

Die Katalogisierung der genauen Position jeder Zelle im Affen-Kortex könnte dabei helfen, die Regeln zu entschlüsseln – und möglicherweise digital nachzubilden –, die den Primaten-Kortex zu einem Rechenkraftwerk machen.

Die Studium, veröffentlicht in Zelle, nutzte auch ein relativ neues Tool zur Gehirnkartierung. Genannt Stereo-Sequenz, Die Technologie extrahiert genetische Informationen – das Transkriptom – aus mehreren Zellen gleichzeitig und fügt der Position jeder Zelle eine neue Datenschicht hinzu.

Das Team erstellte für jede Zelle einen molekularen Fingerabdruck, indem es die Aktivität von rund 500 Genen aufzeichnete. Dann kategorisierten sie dank einer kräftigen Dosis KI fast 1.5 Millionen Zellen aus 143 Regionen in verschiedene Zelltypen und kartierten ihre Position im Kortex.

Das Projekt hat bereits einige Erkenntnisse gebracht. Gehirnzellen neigen dazu, in Cliquen zu agieren. Einige Arten bevorzugen die Gesellschaft bestimmter anderer Zellen, was darauf hindeutet, dass sie lokale neuronale Netzwerke bilden. Neuronen, die die gesamte Gehirnaktivität entweder steigern oder dämpfen, haben ebenfalls bevorzugte Stellen, wobei sich ihre Anzahl je nach kortikaler Region und Tiefe ändert.

Beim Vergleich mit einem Mäusehirnatlas fand die neue Karte außerdem mehrere für Primaten spezifische Zelltypen, die in einer Schicht der Großhirnrinde zusammengedrängt waren.

„Die Zellzusammensetzung des Gehirns und seine räumliche Verteilung sind die grundlegenden Fragen der Hirnforschung, und ihre Bedeutung ähnelt der DNA-Basensequenz, die durch die Sequenzierung des menschlichen Genoms entdeckt wurde.“ sagte Studienautor Dr. Chengyu Li von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Die Großhirnrinde von Makaken ähnelt unserer, und diese Studie bietet die umfassendste Karte ihrer Art.

Ein rätselhafter neuronaler Kuchen

Der Kortex ist eine komplizierte sechsschichtige Struktur, die mit verschiedenen Arten von Neuronen und anderen Gehirnzellen gefüllt ist.

Neuronen sind normalerweise der Star der Show: Diese elektrisch aktivierten Zellen verbinden sich zu neuronalen Netzwerken, um Informationen zu verarbeiten. Die beiden Haupttypen tragen dazu bei, das allgemeine Aktivitätsniveau des Gehirns auszugleichen. Glutamaterge Zellen sind erregend und beschleunigen die Rechenleistung des Gehirns. GABAerge Zellen wirken hemmend und verringern die Netzwerkaktivität.

Nicht-neurale Zellen runden das Bild ab. Einige tragen dazu bei, das Gehirn vor Infektionen zu schützen. Andere unterstützen den Nervenstoffwechsel und beseitigen molekularen Abfall. Sie sind keine Nebenfiguren: Aktuelle Studien zeigen, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung neuronaler Netzwerke in der frühen Entwicklung und bei der Bekämpfung neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer spielen.

Die neue Studie konzentrierte sich hauptsächlich auf diese Gehirnzellen.

Häppchen

Das Team analysierte die Gehirne von drei erwachsenen männlichen Makakenaffen. Mit über sechs Milliarden Zellen ist ihr Gehirn evolutionär unserem ähnlich.

Zu Beginn schnitt das Team das Gehirn mit mehreren fachmännischen Schnitten sorgfältig von vorne bis hinten durch. Eine davon, etwa so dick wie Druckerpapier, wurde verwendet, um das genetische Profil jeder Zelle zu sequenzieren.

Andere Scheiben, die zur Wahrung der räumlichen Integrität an die dickeren Blöcke angrenzten, waren sogar noch dünner. Zu der Hälfte davon fügte das Team einen im Dunkeln leuchtenden Farbstoff hinzu, der sich an Proteinen festsetzt, die sich auf der Außenseite der Neuronen befinden. Dieser Schritt erleichtert das Erkennen unterschiedlicher anatomischer Stellen in der Kortikalis.

Die genetischen Daten der zweiten Charge ultradünner Scheiben wurden mit dem neuen Stereo-seq-Tool extrahiert. Stellen Sie sich vor, dass dieser Schritt wie eine Digitalkamera funktioniert, aber statt Pixel zu erfassen, werden Genexpressionsdaten von jeder Zelle in Form von Boten-RNA (mRNA) erfasst. Das resultierende „Transkriptom“ ist eine Momentaufnahme aller aktiven Gene für jede Zelle zu jedem Zeitpunkt.

Das Ziel besteht hier darin, das Transkriptom jeder Zelle abzubilden und gleichzeitig Informationen über den physischen Standort jeder Zelle zu erhalten. Wie bei einem Kamerasensor beginnt der Prozess mit einem Siliziumchip, der etwa die Größe von zwei Briefmarken hat. Der neu entwickelte Chip verfügt über ein weitaus größeres Sichtfeld als frühere Iterationen – wie ein Telefon im Panoramamodus – und erleichtert so das Scannen größerer Gehirnregionen.

Auf jedem Chip sind zweidimensionale Anordnungen von DNA-Nanokugeln verteilt, die an mRNA haften. Zellmembranen wurden mit Farbstoffen gefärbt, um dem Team dabei zu helfen, einen Transkriptom-Fingerabdruck seinem Wirt zuzuordnen.

Mithilfe mehrerer KI-Algorithmen hat das Team alle diese Datensätze zum weltweit ersten dreidimensionalen Einzelzellatlas des Makaken-Kortex zusammengeführt. Jeder Zelltyp wird in der Karte detailliert beschrieben, zusammen mit einer dreistufigen Taxonomie, die veranschaulicht, wie sich Zellen im Kortex unterscheiden.

Beispielsweise exprimiert eine Art erregendes Neuron in den Schichten zwei und drei im Kortex ein „Master-Regulator“-Gen für die Stresssignalisierung im Gehirn. Alle drei Hauptzellen des Gehirns – Glutamat-, GABA- und Nicht-Neuronenzellen – korrelieren mit der strukturellen Hierarchie des Kortex, wobei einige in seinen Regionen und Tiefen häufiger vorkommen.

Eine Ressource für die Evolution

Der Kortex hat sich bei Primaten enorm ausgedehnt und wird oft als Sitz höherer Erkenntnis angesehen. In einer weiteren Analyse verglich das Team die Gehirnkarte des Affen mit der vorhandenen Karte Maus und human Atlanten, um neue, für Primaten spezifische Zelltypen auszugraben.

Der Test identifizierte eine Gruppe erregender Zellen in der vierten Schicht der Primatenrinde, die bei Mäusen nicht vorhanden sind. Die Zellen befanden sich stark konzentriert im vorderen Teil des Gehirns – einem Bereich, der eine höhere Kognition unterstützt – und enthielten Gene, die zuvor mit Sprache, Gehirnentwicklung und Autismus in Verbindung gebracht wurden.

Das Team stellte die Ressource für jedermann kostenlos zur Verfügung. Es liefert eine Fülle von Daten zur Beantwortung der uralten Frage, wie Struktur zu Intelligenz führt – und wann, warum und wie unser Gehirn bei neurologischen Erkrankungen stottert. Dr. Xun

Der gesamte Datensatz ist Open Source. Spiel damit hier.

Bild-Kredit: Makaken-Atlas zur räumlichen Transkriptomik / BGI

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/