Tiedemiehet paljastivat juuri tähän mennessä täydellisimmän kartan apinan aivokuoresta

Kiinalaisten tiedemiesten johtama kansainvälinen ryhmä rakensi juuri tähän mennessä täydellisimmän makakin apinan aivokuoren kartaston. Aivojen uloimmassa kerroksessa, aivokuoressa, on monia arvokkaita kognitiivisia toimintojamme: kyky järkeillä, tehdä päätöksiä ja sopeutua jatkuvasti muuttuviin ympäristöihin lennossa.

Muihin eläimiin verrattuna kädellisillä - ihmisillä mukaan lukien - on massiivisesti laajentunut aivokuori. Tiedemiehet ovat pitkään luulleet, että tämä evoluution omituisuus antaa aivoillemme kyvyn hallita monimutkaisia ​​laskelmia.

Mutta miten?

Salaisuus voi olla piilossa aivokuoren monissa solutyypeissä ja niiden järjestäytymisessä. Biologian keskeinen teema on "rakenne määrää toiminnan". Kuten tietokoneen rakentaminen tyhjästä, jokainen komponentti ja sen sijoitus ja johdotus voivat muuttaa suorituskykyä.

Jokaisen apinan aivokuoren solun tarkan sijainnin luetteloiminen voisi auttaa purkamaan – ja ehkä digitaalisesti luomaan – säännöt, jotka tekevät kädellisten aivokuoresta laskennallisen voimanpesän.

Tutkimuksessa, julkaistu in Solu, jota hyödynnettiin myös suhteellisen uudella aivokartoitustyökalulla. Nimeltään Stereo-seq, tekniikka poimii geneettistä tietoa – transkription – useista soluista kerralla ja lisää uuden tietokerroksen jokaisen solun sijaintiin.

Ryhmä loi molekyylisormenjäljen jokaiselle solulle kirjaamalla noin 500 geenin toiminnan. Sitten he luokittelivat lähes 1.5 miljoonaa solua 143 alueelta eri solutyyppeihin suuren tekoälyannoksen ansiosta ja kartoittivat niiden sijainnin aivokuoressa.

Projekti on jo tuonut oivalluksia. Aivosoluilla on tapana toimia klikkeissä. Jotkut tyypit suosivat tiettyjen muiden solujen seuraa, mikä viittaa siihen, että ne muodostavat paikallisia hermoverkkoja. Neuroneissa, jotka joko lisäävät tai vaimentavat yleistä aivotoimintaa, on myös suositeltavia kohtia, joiden lukumäärä vaihtelee aivokuoren alueiden ja syvyyden välillä.

Verrattuna hiiren aivojen atlasiin uudessa kartassa löydettiin myös useita kädellisille spesifisiä solutyyppejä, jotka olivat tiivistyneet yhdessä aivokuoren kerroksessa.

"Aivojen solukoostumus ja sen tilajakauma ovat aivotieteen peruskysymyksiä, ja sen merkitys on samanlainen kuin ihmisen genomin sekvensoinnilla löydetty DNA-emässekvenssi." sanoi tutkimuksen kirjoittaja Dr. Chengyu Li Kiinan tiedeakatemiasta. Makakin aivokuori on kuin meidän, ja tämä tutkimus tarjoaa kattavimman kartan laatuaan.

Arvoituksellinen hermokakku

Aivokuori on monimutkainen kuusikerroksinen rakenne, joka on täynnä erilaisia ​​hermosoluja ja muita aivosoluja.

Neuronit ovat yleensä näytelmän tähti: nämä sähköisesti aktivoidut solut yhdistyvät hermoverkkoihin käsittelemään tietoa. Kaksi päätyyppiä auttavat tasapainottamaan aivojen yleistä aktiivisuutta. Glutamatergiset solut ovat kiihottavia, ja ne lisäävät aivojen laskentaa. GABAergiset solut estävät ja alentavat verkkoaktiivisuutta.

Ei-hermosolut täydentävät kuvan. Jotkut auttavat suojaamaan aivoja infektioilta. Toiset tukevat hermoaineenvaihduntaa ja puhdistavat molekyylijätteitä. He eivät ole sivuhahmoja: viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että heillä on kriittinen rooli hermoverkkojen muotoilussa varhaisessa kehityksessä ja torjuttaessa hermostoa rappeuttavia sairauksia, kuten Alzheimerin tautia.

Uusi tutkimus keskittyi pääasiassa näihin aivosoluihin.

Viipalointi ja viipalointi

Ryhmä analysoi kolmen aikuisen urosmakakiapinan aivot. Yli kuudella miljardilla solulla heidän aivonsa ovat evoluutionaalisesti lähellä meidän aivoamme.

Aluksi tiimi viipaloi aivot huolellisesti edestä taakse useilla asiantuntevilla leikkauksilla. Yksi, suunnilleen tulostinpaperin paksuinen, käytettiin sekvensoimaan kunkin solun geneettinen profiili.

Muut siivut, jotka olivat paksumpien lohkojen vieressä avaruudellisen eheyden säilyttämiseksi, olivat vielä ohuempia. Puoleen näistä ryhmä lisäsi pimeässä hohtavaa väriainetta, joka tarttuu hermosolujen ulkopuolella oleviin proteiineihin. Tämä vaihe helpottaa erillisten anatomisten paikkojen havaitsemista aivokuoressa.

Toisen erän erittäin ohuita siivuja geneettiset tiedot erotettiin uudella Stereo-seq-työkalulla. Ajattele tätä vaihetta, joka toimii kuin digitaalikamera, mutta pikselien kaappaamisen sijaan se kaappaa geeniekspressiotiedot jokaisesta solusta lähetti-RNA:n (mRNA) muodossa. Tuloksena oleva "transkriptomi" on tilannekuva kaikista solun aktiivisista geeneistä milloin tahansa.

Tavoitteena on kuvata kunkin solun transkripti säilyttäen samalla tiedot kunkin solun fyysisestä sijainnista. Kuten kameratunnistin, prosessi alkaa noin kahden leiman kokoisella piisirulla. Äskettäin suunnitellulla sirulla on paljon laajempi näkökenttä kuin aikaisemmilla iteraatioilla – kuten puhelin panoraamatilassa – mikä helpottaa suurempien aivoalueiden skannaamista.

Jokaisessa sirussa on pisteytetty DNA-nanopallojen 2D-ryhmät, jotka tarttuvat mRNA:han. Solukalvot värjättiin väreillä, jotta ryhmä pystyi sovittamaan transkriptiosormenjäljen isäntään.

Useita tekoälyalgoritmeja käyttämällä tiimi sekoitti kaikki nämä tietojoukot maailman ensimmäiseen kolmiulotteiseen, yksisoluiseen makakin aivokuoren kartastoon. Jokainen solutyyppi on kuvattu yksityiskohtaisesti kartassa sekä kolmitasoinen taksonomia, joka havainnollistaa, kuinka solut eroavat aivokuoren kautta.

Esimerkiksi aivokuoren kerroksissa kaksi ja kolme oleva eksitatorinen neuroni ilmentää "pääsäätelijä"-geeniä stressisignalointiin aivoissa. Kaikki kolme aivojen pääsolua – glutamaatti, GABA ja ei-neuronisolut – korreloivat aivokuoren rakenteellisen hierarkian kanssa, ja joitain on runsaammin sen alueilla ja syvyyksissä.

Evoluution resurssi

Aivokuori laajeni valtavasti kädellisillä ja sitä pidetään usein korkeamman kognition paikkana. Toisessa analyysissä ryhmä vertasi apinan aivojen karttaa olemassa olevaan hiiri ja ihmisen kartastot uusien kädellisille ominaisten solutyyppien kaivaamiseksi.

Testi osoitti ryhmän kiihottavia soluja kädellisen aivokuoren neljännessä kerroksessa, joita ei ole hiirillä. Solut olivat keskittyneet voimakkaasti aivojen etuosaan - alueelle, joka tukee korkeampaa kognitiota - geeneillä, jotka aiemmin liittyivät kieleen, aivojen kehitykseen ja autismiin.

Tiimi teki resurssin ilmaiseksi kaikille. Se tarjoaa runsaan joukon tietoja, joiden avulla voidaan käsitellä ikivanhaa kysymystä siitä, kuinka rakenne johtaa älykkyyteen ja milloin, miksi ja miten aivomme änkyttävät neurologisissa sairauksissa. Tri Xun Xu sanoi, että tulokset voivat myös "edistää läpimurtoja aivotieteen alalla, kuten aivojen inspiroima älykkyys ja aivojen ja tietokoneiden rajapinnat".

Kaikki tietojoukko on avoimen lähdekoodin. Leiki sen kanssa tätä.

Kuva pistetilanne: Macaque Spatial Transcriptomics Atlas / BGI

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/