과학자들은 지금까지 가장 완벽한 원숭이 피질 지도를 공개했습니다.

중국 과학자들이 이끄는 국제 팀이 지금까지 마카크 원숭이 피질의 가장 완벽한 지도를 만들었습니다. 뇌의 가장 바깥쪽 층인 피질에는 추론하고, 결정을 내리고, 끊임없이 변화하는 환경에 즉석에서 적응하는 능력과 같은 소중한 인지 기능이 많이 있습니다.

인간을 포함한 영장류는 다른 동물에 비해 피질이 엄청나게 확장되어 있습니다. 과학자들은 오랫동안 이 진화적 특질이 우리의 두뇌에 복잡한 계산을 관리할 수 있는 능력을 부여한다고 생각했습니다.

하지만 어떻게?

그 비밀은 피질의 많은 세포 유형과 그들이 구성하는 방식에 숨겨져 있을 수 있습니다. 생물학의 핵심 주제는 "구조가 기능을 결정한다"입니다. 처음부터 컴퓨터를 조립하는 것처럼 각 구성 요소와 배치 및 배선이 성능을 바꿀 수 있습니다.

원숭이 피질에 있는 모든 세포의 정확한 위치를 목록으로 작성하면 영장류 피질을 컴퓨팅 강국으로 만드는 규칙을 해독하고 아마도 디지털 방식으로 재현하는 데 도움이 될 수 있습니다.

공부, 출판 in 세포, 또한 두뇌 매핑을 위한 비교적 새로운 도구를 활용했습니다. 라고 불리는 스테레오 시퀀스, 이 기술은 한 번에 여러 세포에서 유전 정보(전사체)를 추출하여 각 세포의 위치에 새로운 데이터 계층을 추가합니다.

연구팀은 약 500개의 유전자 활동을 기록해 각 세포에 대한 분자 지문을 만들었다. 그런 다음 막대한 양의 AI 덕분에 1.5개 지역에서 거의 143만 개의 세포를 별개의 세포 유형으로 분류하고 피질에서 위치를 매핑했습니다.

이 프로젝트는 이미 몇 가지 통찰력을 얻었습니다. 뇌 세포는 파벌로 행동하는 경향이 있습니다. 일부 유형은 특정 다른 세포의 회사를 선호하여 로컬 신경망을 형성한다고 제안합니다. 전체 뇌 활동을 증가시키거나 약화시키는 뉴런도 피질 영역과 깊이 사이에서 숫자가 변하는 선호하는 지점이 있습니다.

또한 쥐의 뇌 지도와 비교할 때 새로운 지도는 피질의 한 층에 함께 모여 있는 영장류에 특정한 여러 세포 유형을 발견했습니다.

“뇌의 세포 구성과 그 공간적 분포는 뇌과학의 기본 문제이며 그 중요성은 인간 게놈 시퀀싱으로 발견한 DNA 염기서열과 유사하다.” 말했다 중국 과학 아카데미의 연구 저자 Chengyu Li 박사. 짧은꼬리원숭이의 대뇌피질은 우리의 것과 같으며, 이 연구는 동종의 가장 완벽한 지도를 제공합니다.

수수께끼의 신경 케이크

피질은 다양한 유형의 뉴런과 기타 뇌 세포로 채워진 정교한 XNUMX층 구조입니다.

뉴런은 일반적으로 쇼의 스타입니다. 전기적으로 활성화된 이 세포는 신경망에 연결되어 정보를 처리합니다. 두 가지 주요 유형은 뇌의 전반적인 활동 수준의 균형을 맞추는 데 도움이 됩니다. Glutamatergic 세포는 흥분성이며 뇌의 계산을 증가시킵니다. GABAergic 세포는 억제되어 네트워크 활동을 낮춥니다.

비신경 세포가 그림을 완성합니다. 일부는 감염으로부터 뇌를 보호하는 데 도움이 됩니다. 다른 것들은 신경 대사를 지원하고 분자 폐기물을 청소합니다. 그들은 부수적인 캐릭터가 아닙니다. 최근 연구에 따르면 초기 발달 단계에서 신경망을 형성하고 알츠하이머와 같은 신경퇴행성 질환과 싸우는 데 중요한 역할을 합니다.

새로운 연구는 주로 이러한 뇌 세포에 초점을 맞췄습니다.

슬라이싱 및 다이싱

연구팀은 성인 남성 마카크원숭이 XNUMX마리의 뇌를 분석했다. XNUMX억 개가 넘는 세포로 이루어진 그들의 뇌는 진화론적으로 인간과 비슷합니다.

시작하기 위해 팀은 몇 번의 전문가 절단으로 조심스럽게 뇌를 앞뒤로 슬라이스했습니다. 대략 프린터 용지 두께의 하나를 사용하여 각 세포의 유전적 프로필을 시퀀싱했습니다.

공간 무결성을 유지하기 위해 더 두꺼운 블록에 인접한 다른 슬라이스는 더 얇습니다. 이 중 절반에 팀은 뉴런 외부에 점재하는 단백질을 포착하는 야광 염료를 추가했습니다. 이 단계를 통해 피질에서 뚜렷한 해부학적 위치를 쉽게 찾을 수 있습니다.

초박형 슬라이스의 두 번째 배치는 새로운 Stereo-seq 도구를 통해 유전 데이터를 추출했습니다. 이 단계는 디지털 카메라처럼 작동하지만 픽셀을 캡처하는 대신 메신저 RNA(mRNA) 형태로 각 세포에서 유전자 발현 데이터를 캡처합니다. 그 결과 "전사체(transcriptome)"는 어느 시점에서든 모든 세포에 대한 모든 활성 유전자의 스냅샷입니다.

여기서 목표는 각 세포의 물리적 위치에 대한 정보를 유지하면서 각 세포의 전사체를 이미지화하는 것입니다. 카메라 센서와 마찬가지로 프로세스는 대략 스탬프 두 개 크기의 실리콘 칩으로 시작됩니다. 새로 설계된 칩은 파노라마 모드의 전화와 같이 이전 반복보다 훨씬 더 넓은 시야를 가지므로 더 큰 뇌 영역을 더 쉽게 스캔할 수 있습니다.

각 칩에는 mRNA를 잡기 위한 DNA 나노볼의 2D 배열이 있습니다. 전사체 지문을 숙주와 일치시키는 데 도움이 되도록 세포막을 염료로 염색했습니다.

여러 AI 알고리즘을 사용하여 팀은 이러한 모든 데이터 세트를 세계 최초의 짧은꼬리원숭이 피질의 XNUMX차원 단일 세포 아틀라스로 통합했습니다. 각 세포 유형은 피질을 통해 세포가 어떻게 다른지 보여주는 XNUMX단계 분류와 함께 지도에 자세히 나와 있습니다.

예를 들어, 피질의 XNUMX층과 XNUMX층에 있는 일종의 흥분성 뉴런은 뇌의 스트레스 신호에 대한 "마스터 조절기" 유전자를 발현합니다. 뇌의 세 가지 주요 세포인 글루타메이트, GABA 및 비뉴런 세포는 모두 피질의 구조적 계층 구조와 관련이 있으며 일부는 영역과 깊이에 걸쳐 더 풍부합니다.

진화를 위한 자원

피질은 영장류에서 엄청나게 확장되었으며 종종 고등 인식의 자리로 간주됩니다. 또 다른 분석에서 연구팀은 원숭이 뇌 지도를 기존 뇌 지도와 비교했다. 마우스 및 사람의 영장류에 특정한 새로운 세포 유형을 발굴하기 위한 지도책.

이 테스트는 마우스에는 없는 영장류 피질의 네 번째 층에 있는 흥분성 세포 그룹을 정확히 찾아냈습니다. 세포는 이전에 언어, 뇌 발달 및 자폐증과 관련된 유전자와 함께 더 높은 인지를 지원하는 영역인 뇌 앞쪽에 고도로 집중되어 있었습니다.

팀은 리소스를 누구에게나 무료로 제공했습니다. 그것은 구조가 어떻게 지능으로 이어지는지, 그리고 언제, 왜, 어떻게 우리의 뇌가 신경 질환에서 더듬거리는지에 대한 오래된 질문을 해결하기 위한 풍부한 데이터를 제공합니다. Xun Xu 박사는 그 결과가 "두뇌에서 영감을 받은 지능 및 뇌-컴퓨터 인터페이스와 같은 뇌 과학 분야의 돌파구를 촉진"할 수도 있다고 말했습니다.

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이미지 신용 : 원숭이 공간 Transcriptomics 아틀라스 / BGI

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• 출처: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/