Wetenschappers hebben zojuist de meest complete kaart van de Monkey Cortex tot nu toe onthuld

Een internationaal team onder leiding van Chinese wetenschappers heeft zojuist de meest complete atlas van de makakencortex tot nu toe gebouwd. De buitenste laag van de hersenen, de cortex, herbergt veel van onze dierbare cognitieve functies: het vermogen om te redeneren, beslissingen te nemen en zich snel aan te passen aan steeds veranderende omgevingen.

In vergelijking met andere dieren hebben primaten, inclusief mensen, een enorm uitgebreide cortex. Wetenschappers hebben lang gedacht dat deze evolutionaire eigenaardigheid onze hersenen de mogelijkheid geeft om complexe berekeningen te beheren.

Maar hoe?

Het geheim kan verborgen zijn in de vele celtypen van de cortex en hoe ze zich organiseren. Een belangrijk thema in de biologie is 'structuur bepaalt functie'. Net als bij het helemaal opnieuw bouwen van een computer, kan elk onderdeel en de plaatsing en bedrading de prestaties beïnvloeden.

Het catalogiseren van de precieze locatie van elke cel in de cortex van de aap zou kunnen helpen bij het decoderen - en misschien digitaal opnieuw creëren - van de regels die de cortex van primaten tot een computationele krachtpatser maken.

De studie, gepubliceerde in Cel, maakte ook gebruik van een relatief nieuwe tool voor het in kaart brengen van de hersenen. Genaamd Stereo-seq, de technologie haalt genetische informatie - het transcriptoom - uit meerdere cellen tegelijk, en voegt een nieuwe gegevenslaag toe aan de positie van elke cel.

Het team creëerde een moleculaire vingerafdruk voor elke cel door de activiteit van ongeveer 500 genen vast te leggen. Vervolgens categoriseerden ze, dankzij een flinke dosis AI, bijna 1.5 miljoen cellen uit 143 regio's in verschillende celtypen en brachten ze hun locatie in de cortex in kaart.

Het project heeft al enkele inzichten opgeleverd. Hersencellen hebben de neiging om in kliekjes te werken. Sommige typen geven de voorkeur aan het gezelschap van bepaalde andere cellen, wat suggereert dat ze lokale neurale netwerken vormen. Neuronen die de algehele hersenactiviteit verhogen of dempen, hebben ook voorkeursplekken, waarbij hun aantal varieert tussen corticale regio's en diepte.

Ook, in vergelijking met een muizenhersenatlas, vond de nieuwe kaart verschillende celtypen die specifiek zijn voor primaten, dicht bij elkaar in één laag van de cortex.

"De celsamenstelling van de hersenen en de ruimtelijke verdeling ervan zijn de basiskwesties van de hersenwetenschap, en het belang ervan is vergelijkbaar met de DNA-basesequentie die is ontdekt door sequentiebepaling van het menselijk genoom," zei studie auteur Dr. Chengyu Li aan de Chinese Academie van Wetenschappen. De hersenschors van de makaken is net als de onze, en deze studie biedt de meest complete kaart in zijn soort.

Een raadselachtige neurale cake

De cortex is een uitgebreide structuur met zes lagen vol met verschillende soorten neuronen en andere hersencellen.

Neuronen zijn meestal de ster van de show: deze elektrisch geactiveerde cellen verbinden zich met neurale netwerken om informatie te verwerken. De twee hoofdtypen helpen het algehele activiteitsniveau van de hersenen in evenwicht te brengen. Glutamaterge cellen zijn prikkelend en versnellen de berekening van de hersenen. GABAergische cellen zijn remmend en verlagen de netwerkactiviteit.

Niet-neurale cellen maken het plaatje compleet. Sommige helpen de hersenen te beschermen tegen infecties. Anderen ondersteunen het neurale metabolisme en ruimen moleculair afval op. Het zijn geen bijfiguren: recente studies tonen aan dat ze een cruciale rol spelen bij de vorming van neurale netwerken in de vroege ontwikkeling en bij het bestrijden van neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer.

De nieuwe studie richtte zich vooral op deze hersencellen.

Snijden en dobbelen

Het team analyseerde de hersenen van drie volwassen mannelijke makaken. Met meer dan zes miljard cellen zijn hun hersenen evolutionair gezien dicht bij die van ons.

Om te beginnen sneed het team de hersenen zorgvuldig van voren naar achteren door met verschillende deskundige sneden. Eén, ongeveer de dikte van printerpapier, werd gebruikt om het genetische profiel van elke cel te bepalen.

Andere plakjes, grenzend aan de dikkere blokken om de ruimtelijke integriteit te behouden, waren nog dunner. Aan de helft hiervan voegde het team een ​​glow-in-the-dark-kleurstof toe die zich vastgrijpt aan eiwitten die aan de buitenkant van de neuronen zijn gestippeld. Deze stap maakt het gemakkelijk om verschillende anatomische locaties in de cortex te herkennen.

De genetische gegevens van de tweede batch ultradunne plakjes werden geëxtraheerd door middel van de nieuwe Stereo-seq-tool. Stel je voor dat deze stap werkt als een digitale camera, maar in plaats van pixels vast te leggen, legt het genexpressiegegevens van elke cel vast in de vorm van messenger RNA (mRNA). Het resulterende "transcriptoom" is een momentopname van alle actieve genen voor elke cel op elk moment.

Het doel hier is om het transcriptoom van elke cel in beeld te brengen met behoud van informatie over de fysieke locatie van elke cel. Net als een camerasensor begint het proces met een siliciumchip die ongeveer zo groot is als twee postzegels. De nieuw ontworpen chip heeft een veel breder gezichtsveld dan eerdere iteraties, zoals een telefoon in panoramische modus, waardoor het gemakkelijker wordt om grotere hersengebieden te scannen.

Op elke chip zijn 2D-arrays van DNA-nanoballen gestippeld om op mRNA te grijpen. Celmembranen werden gekleurd met kleurstoffen om het team te helpen een transcriptoomvingerafdruk te matchen met zijn gastheer.

Met behulp van meerdere AI-algoritmen heeft het team al deze datasets samengevoegd tot 's werelds eerste driedimensionale, eencellige atlas van de makaakcortex. Elk celtype wordt gedetailleerd beschreven in de kaart, samen met een taxonomie op drie niveaus die illustreert hoe cellen verschillen door de cortex.

Een type prikkelneuron in laag twee en drie in de cortex brengt bijvoorbeeld een 'hoofdregulator'-gen tot expressie voor stresssignalering in de hersenen. Alle drie de hoofdcellen van de hersenen - glutamaat-, GABA- en niet-neuroncellen - correleren met de structurele hiërarchie van de cortex, met enkele meer overvloedig in de regio's en diepten.

Een bron voor evolutie

De cortex breidde zich enorm uit bij primaten en wordt vaak gezien als de zetel van hogere cognitie. In een andere analyse vergeleek het team de hersenkaart van de aap met de bestaande muis en menselijk atlassen om nieuwe celtypen op te graven die specifiek zijn voor primaten.

De test lokaliseerde een groep prikkelende cellen in de vierde laag van de cortex van primaten die afwezig zijn bij muizen. De cellen waren sterk geconcentreerd aan de voorkant van de hersenen - een gebied dat hogere cognitie ondersteunt - met genen die eerder waren gekoppeld aan taal, hersenontwikkeling en autisme.

Het team heeft de bron voor iedereen gratis gemaakt. Het biedt een overvloed aan gegevens voor het aanpakken van de eeuwenoude vraag hoe structuur tot intelligentie leidt - en wanneer, waarom en hoe onze hersenen stotteren bij neurologische aandoeningen. Dr. Xun Xu zei dat de resultaten ook "doorbraken op het gebied van hersenwetenschap kunnen bevorderen, zoals op het gebied van door de hersenen geïnspireerde intelligentie en hersen-computerinterfaces."

Alle datasets zijn open source. Speel ermee hier.

Krediet van het beeld: Makaak Spatial Transcriptomics Atlas / BGI

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/