Teadlased avalikustasid äsja ahvikoore seni kõige täielikuma kaardi

Hiina teadlaste juhitud rahvusvaheline meeskond koostas just seni kõige täielikuma makaaki ahvikoore atlase. Aju välimises kihis, ajukoores, asuvad paljud meie väärtuslikud kognitiivsed funktsioonid: võime arutleda, teha otsuseid ja kohaneda pidevalt muutuvate keskkondadega lennult.

Võrreldes teiste loomadega on primaatidel, sealhulgas inimestel, tohutult laienenud ajukoor. Teadlased on pikka aega arvanud, et see evolutsiooniline veidrus annab meie ajule võime juhtida keerulisi arvutusi.

Aga kuidas?

Saladus võib peituda ajukoore paljudes rakutüüpides ja nende organiseerumises. Bioloogia põhiteema on "struktuur määrab funktsiooni". Nagu arvuti nullist ehitamine, võib iga komponent ning selle paigutus ja juhtmestik jõudlust muuta.

Ahvikoore iga raku täpse asukoha kataloogimine võib aidata dekodeerida – ja võib-olla ka digitaalselt taasluua – reegleid, mis muudavad primaatide ajukoorest arvutusliku jõuallika.

Uuring, avaldatud in Rakk, kasutati ka suhteliselt uut aju kaardistamise tööriista. Helistas Stereo-seq, tehnoloogia eraldab geneetilise teabe – transkriptoomi – mitmest rakust korraga, lisades iga raku positsioonile uue andmekihi.

Meeskond lõi iga raku jaoks molekulaarse sõrmejälje, registreerides ligikaudu 500 geeni aktiivsuse. Seejärel liigitasid nad tänu suurele AI-doosile ligi 1.5 miljonit rakku 143 piirkonnast erinevatesse rakutüüpidesse ja kaardistasid nende asukoha ajukoores.

Projekt on juba andnud mõningaid teadmisi. Ajurakud kipuvad tegutsema klikkidena. Mõned tüübid eelistavad teatud teiste rakkude seltsi, mis viitab sellele, et nad moodustavad kohalikke närvivõrke. Neuronidel, mis kiirendavad või summutavad üldist ajutegevust, on samuti eelistatud laigud, kusjuures nende arv muutub kortikaalsete piirkondade ja sügavuse vahel.

Võrreldes hiire ajuatlasega, leiti uuel kaardil mitu primaatidele omast rakutüüpi, mis olid ajukoore ühes kihis kokku surutud.

"Aju raku koostis ja selle ruumiline jaotus on ajuteaduse põhiküsimused ning selle tähtsus on sarnane inimese genoomi järjestamisel avastatud DNA alusjärjestusega." ütles uuringu autor dr Chengyu Li Hiina Teaduste Akadeemias. Makaki ajukoor on nagu meie oma ja see uuring pakub kõige täielikumat seda tüüpi kaarti.

Mõistatuslik närvikook

Ajukoor on keerukas kuuekihiline struktuur, mis on täis erinevat tüüpi neuroneid ja muid ajurakke.

Neuronid on tavaliselt saate staar: need elektriliselt aktiveeritud rakud ühenduvad teabe töötlemiseks närvivõrkudeks. Kaks peamist tüüpi aitavad tasakaalustada aju üldist aktiivsust. Glutamatergilised rakud on ergastavad, kiirendades aju arvutusvõimet. GABAergilised rakud on inhibeerivad, vähendades võrgu aktiivsust.

Mitte-närvirakud täidavad pildi. Mõned aitavad kaitsta aju nakkuste eest. Teised toetavad närvide ainevahetust ja puhastavad molekulaarseid jäätmeid. Nad ei ole kõrvaltegelased: hiljutised uuringud näitavad, et neil on oluline roll närvivõrkude kujundamisel varajases arengus ja võitluses neurodegeneratiivsete häiretega, nagu Alzheimeri tõbi.

Uus uuring keskendus peamiselt nendele ajurakkudele.

Viilutamine ja kuubikuteks lõikamine

Töörühm analüüsis kolme täiskasvanud isase makaaki aju. Üle kuue miljardi rakuga on nende aju evolutsiooniliselt meie omale lähedal.

Alustuseks lõikas meeskond aju mitme asjatundliku lõikega ettevaatlikult eestpoolt taha. Iga raku geneetilise profiili järjestamiseks kasutati ühte, ligikaudu printeripaberi paksust.

Teised viilud, mis asuvad ruumilise terviklikkuse säilitamiseks paksemate plokkide kõrval, olid veelgi õhemad. Pooltele neist lisas meeskond pimedas helendava värvaine, mis haardub neuronite väliskülgedel paiknevatele valkudele. See samm muudab ajukoores erinevate anatoomiliste asukohtade tuvastamise lihtsaks.

Teise partii üliõhukeste viilude geneetilised andmed ekstraheeriti uue Stereo-seq tööriista abil. Mõelge sellele sammule, mis töötab nagu digikaamera, kuid pikslite jäädvustamise asemel jäädvustab see igast rakust geeniekspressiooni andmed messenger RNA (mRNA) kujul. Saadud "transkriptoom" on hetktõmmis kõigist raku aktiivsetest geenidest igal hetkel.

Siin on eesmärk pildistada iga raku transkriptoom, säilitades samal ajal teavet iga raku füüsilise asukoha kohta. Sarnaselt kaamerasensoriga algab protsess umbes kahe templi suuruse ränikiibiga. Uue disainiga kiibil on palju laiem vaateväli kui varasematel iteratsioonidel – näiteks panoraamrežiimis telefonil –, mis teeb suuremate ajupiirkondade skannimise lihtsamaks.

Igal kiibil on punktiirjooned DNA nanopallide 2D-massiivid, mis haaravad mRNA-le. Rakumembraanid värviti värvainetega, et aidata meeskonnal transkriptsiooni sõrmejälge oma peremehega sobitada.

Kasutades mitut tehisintellekti algoritmi, ühendas meeskond kõik need andmestikud maailma esimesse kolmemõõtmelisse makaaki ajukoore üheraku atlasesse. Iga rakutüüp on kaardil üksikasjalikult kirjeldatud koos kolmetasandilise taksonoomiaga, mis illustreerib, kuidas rakud ajukoores erinevad.

Näiteks ajukoore teises ja kolmandas kihis olev ergastav neuron ekspresseerib aju stressisignaalide edastamiseks "pearegulaatori" geeni. Kõik kolm peamist ajurakku – glutamaat-, GABA- ja mitte-neuronirakud – korreleeruvad ajukoore struktuurse hierarhiaga, kusjuures mõnda on selle piirkondades ja sügavustes rohkem.

Ressurss evolutsiooni jaoks

Ajukoor laienes primaatidel tohutult ja seda peetakse sageli kõrgema tunnetuse asukohaks. Teises analüüsis võrdles meeskond ahvi ajukaarti olemasolevaga hiir ja inim- Atlased, et kaevata välja primaatidele omased uued rakutüübid.

Katse tuvastas primaatide ajukoore neljandas kihis ergastavate rakkude rühma, mis hiirtel puuduvad. Rakud olid tugevalt kontsentreeritud aju esiosasse – piirkonda, mis toetab kõrgemat tunnetust – geenidega, mis olid varem seotud keele, aju arengu ja autismiga.

Meeskond muutis ressursi kõigile tasuta. See pakub hulgaliselt andmeid, et lahendada igivana küsimus, kuidas struktuur viib intelligentsuseni – ja millal, miks ja kuidas meie aju kokutab neuroloogiliste haiguste korral. Dr Xun Xu ütles, et tulemused võivad samuti "edustada läbimurdeid ajuteaduse valdkonnas, näiteks ajust inspireeritud intelligentsuses ja aju-arvuti liidestes".

Kogu andmestik on avatud lähtekoodiga. Mängige sellega siin.

Image Credit: Makakide ruumilise transkriptoomika atlas / BGI

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/