Para Ilmuwan Baru Saja Mengungkap Peta Korteks Monyet Terlengkap

Sebuah tim internasional yang dipimpin oleh para ilmuwan China baru saja membangun atlas paling lengkap dari korteks monyet kera hingga saat ini. Lapisan terluar otak, korteks menampung banyak fungsi kognitif kita yang berharga: kemampuan untuk bernalar, membuat keputusan, dan beradaptasi dengan lingkungan yang selalu berubah dengan cepat.

Dibandingkan hewan lain, primata—termasuk manusia—memiliki korteks yang meluas secara masif. Ilmuwan telah lama berpikir bahwa kekhasan evolusioner inilah yang memberi otak kita kemampuan untuk mengelola perhitungan yang rumit.

Tapi bagaimana caranya?

Rahasianya mungkin tersembunyi di banyak jenis sel korteks dan bagaimana mereka mengaturnya. Tema kunci dalam biologi adalah "struktur menentukan fungsi." Seperti membangun komputer dari awal, setiap komponen dan penempatan serta perkabelannya dapat mengubah kinerja.

Membuat katalog lokasi yang tepat dari setiap sel di korteks monyet dapat membantu memecahkan kode—dan mungkin membuat ulang secara digital—aturan yang menjadikan korteks primata sebagai pembangkit tenaga komputasi.

Penelitian, diterbitkan in Sel, juga memanfaatkan alat yang relatif baru untuk pemetaan otak. Ditelepon Stereo-seq, teknologi ini mengekstraksi informasi genetik—transkriptom—dari banyak sel sekaligus, menambahkan lapisan data baru ke setiap posisi sel.

Tim menciptakan sidik jari molekuler untuk setiap sel dengan merekam aktivitas sekitar 500 gen. Kemudian, berkat dosis AI yang besar, mereka mengkategorikan hampir 1.5 juta sel dari 143 wilayah ke dalam tipe sel yang berbeda dan memetakan lokasinya di korteks.

Proyek ini telah menghasilkan beberapa wawasan. Sel-sel otak cenderung bertindak dalam klik. Beberapa jenis lebih suka ditemani sel-sel tertentu lainnya, menunjukkan bahwa mereka membentuk jaringan saraf lokal. Neuron yang meningkatkan atau meredam aktivitas otak secara keseluruhan juga memiliki titik pilihan, dengan jumlah yang berubah antara daerah kortikal dan kedalaman.

Juga, jika dibandingkan dengan atlas otak tikus, peta baru menemukan beberapa jenis sel khusus primata yang berkerumun bersama dalam satu lapisan korteks.

“Komposisi sel otak dan distribusi spasialnya adalah masalah dasar ilmu otak, dan kepentingannya mirip dengan urutan dasar DNA yang ditemukan oleh pengurutan genom manusia,” tersebut penulis studi Dr. Chengyu Li di Chinese Academy of Sciences. Korteks serebral kera seperti milik kita, dan penelitian ini menawarkan peta paling lengkap dari jenisnya.

Kue Neural Enigmatis

Korteks adalah struktur enam lapis rumit yang dikemas dengan berbagai jenis neuron dan sel otak lainnya.

Neuron biasanya menjadi bintang pertunjukan: sel-sel yang diaktifkan secara elektrik ini terhubung ke jaringan saraf untuk memproses informasi. Dua jenis utama membantu menyeimbangkan tingkat aktivitas otak secara keseluruhan. Sel-sel glutamatergik bersifat rangsang, meningkatkan komputasi otak. Sel-sel GABAergik bersifat penghambatan, menurunkan aktivitas jaringan.

Sel-sel non-saraf melengkapi gambarannya. Beberapa membantu melindungi otak dari infeksi. Lainnya mendukung metabolisme saraf dan membersihkan limbah molekuler. Mereka bukan karakter sampingan: penelitian terbaru menunjukkan bahwa mereka memainkan peran penting dalam pembentukan jaringan saraf pada perkembangan awal dan untuk memerangi gangguan neurodegeneratif seperti Alzheimer.

Studi baru ini terutama berfokus pada sel-sel otak ini.

Mengiris dan memotong

Tim menganalisis otak dari tiga monyet kera jantan dewasa. Dengan lebih dari enam miliar sel, otak mereka secara evolusioner dekat dengan otak kita.

Untuk memulai, tim dengan hati-hati mengiris otak dari depan ke belakang dengan beberapa potongan ahli. Satu, kira-kira setebal kertas printer, digunakan untuk mengurutkan profil genetik setiap sel.

Irisan lain, yang bersebelahan dengan balok yang lebih tebal untuk menjaga integritas spasial, bahkan lebih tipis. Setengah dari ini, tim menambahkan pewarna glow-in-the-dark yang menangkap protein yang menghiasi bagian luar neuron. Langkah ini memudahkan untuk menemukan lokasi anatomi yang berbeda di korteks.

Batch kedua dari irisan ultra-tipis memiliki data genetiknya yang diekstraksi melalui alat Stereo-seq yang baru. Pikirkan langkah ini bekerja seperti kamera digital, tetapi alih-alih menangkap piksel, langkah ini menangkap data ekspresi gen dari setiap sel dalam bentuk messenger RNA (mRNA). "Transkriptom" yang dihasilkan adalah cuplikan dari semua gen aktif untuk sel apa pun kapan saja.

Tujuannya di sini adalah untuk mencitrakan transkriptom setiap sel sambil mempertahankan informasi tentang lokasi fisik setiap sel. Seperti sensor kamera, prosesnya dimulai dengan chip silikon kira-kira seukuran dua stempel. Chip yang baru dirancang memiliki bidang pandang yang jauh lebih luas daripada iterasi sebelumnya—seperti ponsel dalam mode panorama—sehingga lebih mudah untuk memindai wilayah otak yang lebih besar.

Bertitik pada setiap chip adalah susunan 2D bola nano DNA untuk diambil ke mRNA. Selaput sel diwarnai dengan pewarna untuk membantu tim mencocokkan sidik jari transkriptom dengan inangnya.

Menggunakan beberapa algoritme AI, tim menggabungkan semua kumpulan data ini menjadi atlas sel tunggal tiga dimensi pertama di dunia dari korteks kera. Setiap jenis sel dirinci dalam peta, bersama dengan taksonomi tiga tingkat yang menggambarkan perbedaan sel melalui korteks.

Misalnya, jenis neuron eksitatorik di lapisan dua dan tiga di korteks mengekspresikan gen "pengatur utama" untuk pensinyalan stres di otak. Ketiga sel utama otak — glutamat, GABA, dan sel non-neuron — berkorelasi dengan hierarki struktural korteks, dengan beberapa lebih banyak di seluruh wilayah dan kedalamannya.

Sumber Daya untuk Evolusi

Korteks berkembang pesat pada primata dan sering dipandang sebagai pusat kognisi yang lebih tinggi. Dalam analisis lain, tim membandingkan peta otak monyet dengan yang ada mouse dan manusia atlas untuk menggali jenis sel baru khusus primata.

Tes tersebut menunjukkan sekelompok sel eksitasi di lapisan keempat korteks primata yang tidak ada pada tikus. Sel-sel tersebut sangat terkonsentrasi di bagian depan otak—area yang mendukung kognisi yang lebih tinggi—dengan gen yang sebelumnya terkait dengan bahasa, perkembangan otak, dan autisme.

Tim membuat sumber daya gratis untuk siapa saja. Ini memberikan banyak sekali data untuk menjawab pertanyaan kuno tentang bagaimana struktur mengarah pada kecerdasan — dan kapan, mengapa, dan bagaimana otak kita gagap dalam penyakit saraf. Xun Xu mengatakan bahwa hasil ini juga dapat “mempromosikan terobosan di bidang ilmu otak, seperti kecerdasan yang diilhami oleh otak dan antarmuka otak-komputer.”

Semua dataset adalah open source. Mainkan dengan itu di sini.

Gambar Kredit: Atlas Transkriptomik Spasial Kera / BGI

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Otomotif / EV, Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• BlockOffset. Modernisasi Kepemilikan Offset Lingkungan. Akses Di Sini.
• Sumber: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/