A tudósok most mutatták be a majomkéreg eddigi legteljesebb térképét

Egy kínai tudósok vezette nemzetközi csapat most készítette el a makákó majomkéreg eddigi legteljesebb atlaszát. Az agy legkülső rétegében, a kéregben sok értékes kognitív funkciónk található: az érvelés, a döntéshozatal és az állandóan változó környezethez való alkalmazkodás képessége.

Más állatokhoz képest a főemlősöknek – beleértve az embereket is – nagymértékben kibővült kéregük van. A tudósok régóta úgy gondolják, hogy ez az evolúciós furcsaság az, ami képessé teszi agyunkat arra, hogy bonyolult számításokat kezeljen.

De hogyan?

A titok a kéreg számos sejttípusában és azok szerveződésében rejtőzhet. A biológia egyik kulcstémája a „struktúra határozza meg a funkciót”. Mint egy számítógép alapból történő felépítése, minden egyes alkatrész, valamint azok elhelyezése és bekötése megváltoztathatja a teljesítményt.

A majomkéreg minden sejtjének pontos elhelyezkedésének katalógusba vétele segíthet dekódolni – és esetleg digitálisan újra létrehozni – azokat a szabályokat, amelyek a főemlőskérget számítási erőművé teszik.

A tanulmány, közzétett in Sejt, szintén egy viszonylag új eszközt használtak az agytérképezéshez. Hívott Stereo-seq, a technológia egyszerre több sejtből nyeri ki a genetikai információt – a transzkriptumot –, új adatréteget adva minden egyes sejt pozíciójához.

A csapat körülbelül 500 gén aktivitásának rögzítésével minden sejthez molekuláris ujjlenyomatot készített. Aztán egy hatalmas dózisú mesterséges intelligencia révén közel 1.5 millió sejtet kategorizáltak 143 régióból különböző sejttípusokba, és feltérképezték azok elhelyezkedését a kéregben.

A projekt már adott némi betekintést. Az agysejtek hajlamosak klikkekben működni. Egyes típusok bizonyos más sejtek társaságát preferálják, ami arra utal, hogy helyi neurális hálózatokat alkotnak. Azok a neuronok, amelyek felpörgetik vagy csökkentik az általános agyi aktivitást, szintén előnyös foltokkal rendelkeznek, számuk a kérgi régiók és a mélység között változik.

Ezenkívül az egér agyatlasszal összehasonlítva az új térkép több főemlősre jellemző sejttípust talált, amelyek a kéreg egyik rétegében összebújtak.

"Az agy sejtösszetétele és térbeli eloszlása ​​az agytudomány alapkérdései, és jelentősége hasonló az emberi genom szekvenálás során felfedezett DNS-bázisszekvenciához" mondott Dr. Chengyu Li tanulmány szerzője a Kínai Tudományos Akadémián. A makákó agykéreg olyan, mint a miénk, és ez a tanulmány kínálja a legteljesebb ilyen jellegű térképet.

Egy rejtélyes idegtorta

A kéreg egy bonyolult, hatrétegű szerkezet, amely tele van különböző típusú neuronokkal és más agysejtekkel.

A neuronok általában a műsor főszereplője: ezek az elektromosan aktivált sejtek neurális hálózatokba kapcsolódnak, hogy információt dolgozzanak fel. A két fő típus segít egyensúlyban tartani az agy általános aktivitási szintjét. A glutamáterg sejtek izgató hatásúak, felpörgetik az agy számítási képességét. A GABAerg sejtek gátolják, csökkentik a hálózati aktivitást.

A nem idegsejtek teszik teljessé a képet. Egyesek segítenek megvédeni az agyat a fertőzésektől. Mások támogatják az idegi anyagcserét és tisztítják a molekuláris hulladékot. Nem mellékszereplők: a legújabb tanulmányok azt mutatják, hogy kritikus szerepet játszanak a neurális hálózatok kialakításában a fejlődés korai szakaszában, valamint az olyan neurodegeneratív rendellenességek elleni küzdelemben, mint az Alzheimer-kór.

Az új tanulmány elsősorban ezekre az agysejtekre összpontosított.

Szeletelés és kockázás

A csapat három felnőtt hím makákó majom agyát elemezte. Több mint hatmilliárd sejttel az agyuk evolúciósan közel van a miénkhez.

Kezdésként a csapat gondosan felvágta az agyat elölről hátrafelé, számos szakértő vágással. Egyet, nagyjából a nyomtatópapír vastagságát használtuk az egyes sejtek genetikai profiljának szekvenálására.

Más szeletek, amelyek a vastagabb blokkokkal szomszédosak a térbeli integritás megőrzése érdekében, még vékonyabbak voltak. Ezek feléhez a csapat egy sötétben világító festéket adott, amely megragadja a neuronok külsejét borító fehérjéket. Ez a lépés megkönnyíti a különböző anatómiai helyek felismerését a kéregben.

A második adag ultravékony szelet genetikai adatait az új Stereo-seq eszközzel nyerték ki. Képzelje el, hogy ez a lépés úgy működik, mint egy digitális fényképezőgép, de a pixelek rögzítése helyett minden sejtből rögzíti a génexpressziós adatokat hírvivő RNS (mRNS) formájában. Az eredményül kapott „transzkriptom” pillanatfelvétel az összes aktív génről bármely sejtben, bármely pillanatban.

Itt az a cél, hogy leképezzük az egyes sejtek transzkriptumát, miközben megőrizzük az egyes sejtek fizikai helyére vonatkozó információkat. A kamera érzékelőjéhez hasonlóan a folyamat egy nagyjából két bélyeg méretű szilícium chippel kezdődik. Az újonnan tervezett chip sokkal szélesebb látómezővel rendelkezik, mint a korábbi iterációk – például egy panoráma módban működő telefon –, ami megkönnyíti a nagyobb agyi régiók beolvasását.

Mindegyik chipen kétdimenziós DNS-nanogolyók találhatók, amelyek megragadják az mRNS-t. A sejtmembránokat színezékkel festették meg, hogy segítsenek a csapatnak a transzkriptum ujjlenyomatát a gazdájához igazítani.

Több mesterségesintelligencia-algoritmust használva a csapat ezeket az adatkészleteket a világ első háromdimenziós, egysejtű makákókéreg atlaszába tömörítette. Az egyes sejttípusok részletesen megtalálhatók a térképen, egy háromszintű taxonómiával együtt, amely bemutatja, hogy a sejtek hogyan különböznek a kéregben.

Például a kéreg második és harmadik rétegében található serkentő neuronok egy „master regulator” gént expresszálnak az agy stresszjelzésére. Az agy mindhárom fő sejtje – a glutamát, a GABA és a nem-neuronsejtek – korrelál a kéreg szerkezeti hierarchiájával, és néhány nagyobb mennyiségben fordul elő az agykéreg régióiban és mélységeiben.

Erőforrás az evolúcióhoz

A főemlősökben a kéreg rendkívüli mértékben kitágul, és gyakran a magasabb szintű megismerés székhelyének tekintik. Egy másik elemzésben a csapat összehasonlította a majom agytérképét a meglévővel egér és a emberi atlaszok a főemlősökre jellemző új sejttípusok feltárására.

A teszt a főemlőskéreg negyedik rétegében gerjesztő sejtek egy csoportját mutatta ki, amelyek egerekben hiányoznak. A sejtek nagymértékben koncentrálódtak az agy elülső részén – egy olyan területen, amely támogatja a magasabb szintű megismerést –, ahol a gének korábban a nyelvhez, az agy fejlődéséhez és az autizmushoz kapcsolódnak.

A csapat bárki számára ingyenessé tette az erőforrást. Adatok bőségességét kínálja annak az ősi kérdésnek a megválaszolásához, hogy a szerkezet hogyan vezet az intelligenciához – és mikor, miért és hogyan dadog agyunk neurológiai betegségekben. Dr. Xun Xu elmondta, hogy az eredmények „áttörést is elősegíthetnek az agytudomány területén, például az agy által inspirált intelligencia és az agy-számítógép interfészek terén”.

Az összes adatkészlet nyílt forráskódú. Játssz vele itt.

Kép: Makák térbeli transzkriptomikai atlasza / BGI

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/