Οι επιστήμονες μόλις αποκάλυψαν τον πιο ολοκληρωμένο χάρτη του φλοιού των πιθήκων

Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής Κινέζους επιστήμονες μόλις κατασκεύασε τον πιο ολοκληρωμένο άτλαντα του φλοιού του μακάκου πιθήκου μέχρι σήμερα. Το πιο εξωτερικό στρώμα του εγκεφάλου, ο φλοιός φιλοξενεί πολλές από τις πολύτιμες γνωστικές μας λειτουργίες: την ικανότητα να συλλογιζόμαστε, να λαμβάνουμε αποφάσεις και να προσαρμόζουμε τα συνεχώς μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα εν κινήσει.

Σε σύγκριση με άλλα ζώα, τα πρωτεύοντα - συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων - έχουν μαζικά διογκωμένο φλοιό. Οι επιστήμονες πιστεύουν από καιρό ότι αυτή η εξελικτική ιδιορρυθμία είναι αυτό που δίνει στον εγκέφαλό μας την ικανότητα να διαχειρίζεται πολύπλοκους υπολογισμούς.

Αλλά πως?

Το μυστικό μπορεί να κρύβεται στους πολλούς τύπους κυττάρων του φλοιού και στον τρόπο οργάνωσης τους. Ένα βασικό θέμα στη βιολογία είναι «η δομή καθορίζει τη λειτουργία». Όπως η κατασκευή ενός υπολογιστή από την αρχή, κάθε εξάρτημα και η τοποθέτησή του και η καλωδίωση μπορούν να αλλάξουν την απόδοση.

Η καταλογογράφηση της ακριβούς θέσης κάθε κυττάρου στον φλοιό των πιθήκων θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποκωδικοποίηση -και ίσως στην ψηφιακή αναδημιουργία- των κανόνων που κάνουν τον φλοιό των πρωτευόντων μια υπολογιστική δύναμη.

Η μελέτη, δημοσιεύθηκε in Κύτταρο, χρησιμοποιήθηκε επίσης σε ένα σχετικά νέο εργαλείο για τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου. Που ονομάζεται Stereo-seq, η τεχνολογία εξάγει γενετικές πληροφορίες - το μεταγραφικό - από πολλαπλά κύτταρα ταυτόχρονα, προσθέτοντας ένα νέο στρώμα δεδομένων στη θέση κάθε κυττάρου.

Η ομάδα δημιούργησε ένα μοριακό δακτυλικό αποτύπωμα για κάθε κύτταρο καταγράφοντας τη δραστηριότητα περίπου 500 γονιδίων. Στη συνέχεια, χάρη σε μια μεγάλη δόση τεχνητής νοημοσύνης, κατηγοριοποίησαν σχεδόν 1.5 εκατομμύρια κύτταρα από 143 περιοχές σε διακριτούς κυτταρικούς τύπους και χαρτογράφησαν τη θέση τους στον φλοιό.

Το έργο έχει ήδη δώσει κάποιες γνώσεις. Τα εγκεφαλικά κύτταρα τείνουν να δρουν σε κλίκες. Ορισμένοι τύποι προτιμούν τη συντροφιά ορισμένων άλλων κυττάρων, υποδηλώνοντας ότι σχηματίζουν τοπικά νευρωνικά δίκτυα. Οι νευρώνες που είτε αυξάνουν είτε μειώνουν τη συνολική εγκεφαλική δραστηριότητα έχουν επίσης προτιμώμενες κηλίδες, με τον αριθμό τους να αλλάζει μεταξύ των περιοχών του φλοιού και του βάθους.

Επίσης, σε σύγκριση με έναν άτλαντα εγκεφάλου ποντικού, ο νέος χάρτης βρήκε αρκετούς τύπους κυττάρων που είναι ειδικοί για πρωτεύοντα θηλαστικά συγκεντρωμένα σε ένα στρώμα του φλοιού.

«Η κυτταρική σύνθεση του εγκεφάλου και η χωρική κατανομή του είναι τα βασικά ζητήματα της επιστήμης του εγκεφάλου και η σημασία της είναι παρόμοια με την αλληλουχία βάσεων DNA που ανακαλύφθηκε από την αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος». είπε Ο συγγραφέας της μελέτης Dr. Chengyu Li στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών. Ο εγκεφαλικός φλοιός του μακάκου είναι σαν τον δικό μας και αυτή η μελέτη προσφέρει τον πιο ολοκληρωμένο χάρτη του είδους του.

Ένα αινιγματικό νευρικό κέικ

Ο φλοιός είναι μια περίτεχνη δομή έξι επιπέδων γεμάτη με διαφορετικούς τύπους νευρώνων και άλλων εγκεφαλικών κυττάρων.

Οι νευρώνες είναι συνήθως το αστέρι της παράστασης: αυτά τα ηλεκτρικά ενεργοποιημένα κύτταρα συνδέονται σε νευρωνικά δίκτυα για να επεξεργαστούν πληροφορίες. Οι δύο κύριοι τύποι βοηθούν στην εξισορρόπηση του συνολικού επιπέδου δραστηριότητας του εγκεφάλου. Τα γλουταμινεργικά κύτταρα είναι διεγερτικά, αυξάνοντας τον υπολογισμό του εγκεφάλου. Τα GABAergic κύτταρα είναι ανασταλτικά, μειώνοντας τη δραστηριότητα του δικτύου.

Τα μη νευρικά κύτταρα συμπληρώνουν την εικόνα. Μερικά βοηθούν στην προστασία του εγκεφάλου από μολύνσεις. Άλλοι υποστηρίζουν τον νευρικό μεταβολισμό και καθαρίζουν τα μοριακά απόβλητα. Δεν είναι παράπλευροι χαρακτήρες: πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στη διαμόρφωση των νευρωνικών δικτύων στην πρώιμη ανάπτυξη και στην καταπολέμηση νευροεκφυλιστικών διαταραχών όπως το Αλτσχάιμερ.

Η νέα μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως σε αυτά τα εγκεφαλικά κύτταρα.

Κόψιμο σε φέτες και σε κύβους

Η ομάδα ανέλυσε εγκεφάλους από τρεις ενήλικες αρσενικούς μακάκους πιθήκους. Με περισσότερα από έξι δισεκατομμύρια κύτταρα, ο εγκέφαλός τους είναι εξελικτικά κοντά στον δικό μας.

Για να ξεκινήσετε, η ομάδα έκοψε προσεκτικά τον εγκέφαλο από μπροστά προς τα πίσω με αρκετές τομές από ειδικούς. Ένα, περίπου το πάχος του χαρτιού εκτυπωτή, χρησιμοποιήθηκε για την αλληλουχία του γενετικού προφίλ κάθε κυττάρου.

Άλλες φέτες, δίπλα στα παχύτερα μπλοκ για να διατηρηθεί η χωρική ακεραιότητα, ήταν ακόμη πιο λεπτές. Στα μισά από αυτά, η ομάδα πρόσθεσε μια βαφή με λάμψη στο σκοτάδι που αρπάζει πάνω σε πρωτεΐνες που διαστέλλονται στο εξωτερικό των νευρώνων. Αυτό το βήμα διευκολύνει τον εντοπισμό διακριτών ανατομικών θέσεων στον φλοιό.

Στη δεύτερη παρτίδα των εξαιρετικά λεπτών κομματιών εξήχθησαν τα γενετικά τους δεδομένα μέσω του νέου εργαλείου Stereo-seq. Σκεφτείτε ότι αυτό το βήμα λειτουργεί σαν μια ψηφιακή φωτογραφική μηχανή, αλλά αντί να συλλαμβάνει pixels, συλλαμβάνει δεδομένα γονιδιακής έκφρασης από κάθε κύτταρο με τη μορφή αγγελιοφόρου RNA (mRNA). Το προκύπτον "μεταγράφημα" είναι ένα στιγμιότυπο όλων των ενεργών γονιδίων για οποιοδήποτε κύτταρο ανά πάσα στιγμή.

Ο στόχος εδώ είναι να απεικονιστεί το μεταγραφικό κάθε κυττάρου διατηρώντας ταυτόχρονα πληροφορίες για τη φυσική θέση κάθε κυττάρου. Όπως ένας αισθητήρας κάμερας, η διαδικασία ξεκινά με ένα τσιπ πυριτίου περίπου στο μέγεθος δύο γραμματοσήμων. Το πρόσφατα σχεδιασμένο τσιπ έχει πολύ ευρύτερο οπτικό πεδίο από προηγούμενες επαναλήψεις—όπως ένα τηλέφωνο σε πανοραμική λειτουργία—καθιστώντας ευκολότερη τη σάρωση μεγαλύτερων περιοχών του εγκεφάλου.

Σε κάθε τσιπ είναι διακεκομμένες σειρές 2D από νανομπάλες DNA για να πιαστούν στο mRNA. Οι κυτταρικές μεμβράνες χρωματίστηκαν με βαφές για να βοηθήσουν την ομάδα να αντιστοιχίσει ένα μεταγραφικό δακτυλικό αποτύπωμα με τον ξενιστή της.

Χρησιμοποιώντας πολλαπλούς αλγόριθμους τεχνητής νοημοσύνης, η ομάδα πολτοποίησε όλα αυτά τα σύνολα δεδομένων στον πρώτο τρισδιάστατο, μονοκύτταρο άτλαντα του φλοιού του μακάκου στον κόσμο. Κάθε τύπος κυττάρου περιγράφεται λεπτομερώς στον χάρτη, μαζί με μια ταξινόμηση τριών επιπέδων που δείχνει πώς διαφέρουν τα κύτταρα μέσω του φλοιού.

Για παράδειγμα, ένας τύπος διεγερτικού νευρώνα στα στρώματα δύο και τρία στον φλοιό εκφράζει ένα γονίδιο «κύριο ρυθμιστή» για τη σηματοδότηση του στρες στον εγκέφαλο. Και τα τρία κύρια κύτταρα του εγκεφάλου -γλουταμινικό, GABA και κύτταρα μη νευρώνων- συσχετίζονται με τη δομική ιεραρχία του φλοιού, με μερικά πιο άφθονα στις περιοχές και τα βάθη του.

Ένας πόρος για την εξέλιξη

Ο φλοιός επεκτάθηκε τρομερά στα πρωτεύοντα και συχνά θεωρείται ως η έδρα της ανώτερης γνώσης. Σε άλλη ανάλυση, η ομάδα συνέκρινε τον χάρτη του εγκεφάλου των πιθήκων με τον υπάρχοντα ποντίκι και ανθρώπινος άτλαντες για να ανακαλύψουν νέους τύπους κυττάρων ειδικών για πρωτεύοντα.

Το τεστ εντόπισε μια ομάδα διεγερτικών κυττάρων στο τέταρτο στρώμα του φλοιού των πρωτευόντων που απουσιάζουν στα ποντίκια. Τα κύτταρα ήταν πολύ συγκεντρωμένα στο μπροστινό μέρος του εγκεφάλου - μια περιοχή που υποστηρίζει την ανώτερη γνωστική λειτουργία - με γονίδια που προηγουμένως συνδέονταν με τη γλώσσα, την ανάπτυξη του εγκεφάλου και τον αυτισμό.

Η ομάδα έκανε τον πόρο δωρεάν σε οποιονδήποτε. Παρέχει μια συλλογή δεδομένων για την αντιμετώπιση του παλαιού ερωτήματος του πώς η δομή οδηγεί στη νοημοσύνη - και πότε, γιατί και πώς τραυλίζει ο εγκέφαλός μας σε νευρολογικές ασθένειες. Ο Δρ Xun Xu είπε ότι τα αποτελέσματα μπορεί επίσης να «προωθήσουν καινοτομίες στον τομέα της επιστήμης του εγκεφάλου, όπως στη νοημοσύνη εμπνευσμένη από τον εγκέφαλο και στις διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή».

Όλο το σύνολο δεδομένων είναι ανοιχτού κώδικα. Παίξε μαζί του εδώ.

Image Credit: Macaque Spatial Transcriptomics Atlas / BGI

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Αυτοκίνητο / EVs, Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/