Forskere har nettopp avduket det mest komplette kartet over apebarken ennå

Et internasjonalt team ledet av kinesiske forskere har nettopp bygget det mest komplette atlaset av makakapebarken til dags dato. Det ytterste laget av hjernen, cortex, huser mange av våre verdifulle kognitive funksjoner: evnen til å resonnere, ta beslutninger og tilpasse seg stadig skiftende miljøer i farten.

Sammenlignet med andre dyr har primater - inkludert mennesker - en massivt utvidet cortex. Forskere har lenge trodd at dette evolusjonære særpreg er det som gir hjernen vår evnen til å håndtere komplekse beregninger.

Men hvordan?

Hemmeligheten kan være skjult i cortex sine mange celletyper og hvordan de organiserer seg. Et sentralt tema i biologi er "struktur bestemmer funksjon." Som å bygge en datamaskin fra bunnen av, kan hver komponent og dens plassering og ledninger endre ytelsen.

Å katalogisere den nøyaktige plasseringen av hver celle i apebarken kan bidra til å dekode – og kanskje digitalt gjenskape – reglene som gjør primatbarken til et beregningsmessig kraftsenter.

Studien, publisert in Cell, også benyttet et relativt nytt verktøy for hjernekartlegging. Kalt Stereo-seq, teknologien trekker ut genetisk informasjon – transkriptomet – fra flere celler samtidig, og legger til et nytt datalag til hver celles posisjon.

Teamet laget et molekylært fingeravtrykk for hver celle ved å registrere aktiviteten til omtrent 500 gener. Deretter, takket være en heftig dose AI, kategoriserte de nesten 1.5 millioner celler fra 143 regioner i forskjellige celletyper og kartla deres plassering i cortex.

Prosjektet har allerede gitt en del innsikt. Hjerneceller har en tendens til å opptre i klikker. Noen typer foretrekker selskap med visse andre celler, noe som tyder på at de danner lokale nevrale nettverk. Nevroner som enten øker eller demper den generelle hjerneaktiviteten har også foretrukne flekker, med antallet som endres mellom kortikale regioner og dybde.

Sammenlignet med et musehjerneatlas, fant det nye kartet også flere celletyper som er spesifikke for primater, samlet i ett lag av cortex.

"Hjernens cellesammensetning og dens romlige fordeling er de grunnleggende spørsmålene innen hjernevitenskap, og dens betydning ligner på DNA-basesekvensen oppdaget av menneskelig genomsekvensering," sa studieforfatter Dr. Chengyu Li ved det kinesiske vitenskapsakademiet. Den makake hjernebarken er som vår, og denne studien tilbyr det mest komplette kartet i sitt slag.

En gåtefull nevrale kake

Cortex er en forseggjort seks-lags struktur fullpakket med forskjellige typer nevroner og andre hjerneceller.

Nevroner er vanligvis stjernen i showet: disse elektrisk aktiverte cellene kobles til nevrale nettverk for å behandle informasjon. De to hovedtypene hjelper til med å balansere hjernens generelle aktivitetsnivå. Glutamatergiske celler er eksitatoriske, og øker hjernens beregninger. GABAergiske celler er hemmende, og senker nettverksaktiviteten.

Ikke-nevrale celler fullfører bildet. Noen hjelper til med å beskytte hjernen mot infeksjoner. Andre støtter nevral metabolisme og rydder opp i molekylært avfall. De er ikke bikarakterer: nyere studier viser at de spiller en kritisk rolle i utformingen av nevrale nettverk i tidlig utvikling og for å kjempe mot nevrodegenerative lidelser som Alzheimers.

Den nye studien fokuserte hovedsakelig på disse hjernecellene.

Skjæring og terninger

Teamet analyserte hjerner fra tre voksne hannmakakaper. Med over seks milliarder celler er hjernen deres evolusjonært nær vår.

Til å begynne med kuttet teamet hjernen forsiktig fra front til bak med flere ekspertkutt. Den ene, omtrent tykkelsen på skriverpapir, ble brukt til å sekvensere hver celles genetiske profil.

Andre skiver, ved siden av de tykkere blokkene for å opprettholde romlig integritet, var enda tynnere. Til halvparten av disse la teamet til et glød-i-mørke-fargestoff som griper tak i proteiner som stikker utsiden av nevronene. Dette trinnet gjør det enkelt å oppdage distinkte anatomiske steder i cortex.

Den andre gruppen med ultratynne skiver fikk sine genetiske data ekstrahert ved hjelp av det nye Stereo-seq-verktøyet. Tenk på at dette trinnet fungerer som et digitalkamera, men i stedet for å fange piksler, fanger det genuttrykksdata fra hver celle i form av messenger-RNA (mRNA). Det resulterende "transkriptomet" er et øyeblikksbilde av alle aktive gener for enhver celle til enhver tid.

Målet her er å avbilde hver celles transkriptom og samtidig opprettholde informasjon om hver celles fysiske plassering. Som en kamerasensor starter prosessen med en silisiumbrikke som er omtrent på størrelse med to stempler. Den nydesignede brikken har et langt bredere synsfelt enn tidligere iterasjoner – som en telefon i panoramamodus – noe som gjør det lettere å skanne større hjerneområder.

Prikket på hver brikke er 2D-matriser med DNA-nanokuler for å gripe inn i mRNA. Cellemembraner ble farget med fargestoffer for å hjelpe teamet med å matche et transkriptom-fingeravtrykk til verten.

Ved å bruke flere AI-algoritmer, blandet teamet alle disse datasettene til verdens første tredimensjonale, encellede atlas av makakbarken. Hver celletype er detaljert i kartet, sammen med en tre-nivå taksonomi som illustrerer hvordan celler skiller seg gjennom cortex.

For eksempel uttrykker en type eksitatorisk nevron i lag to og tre i cortex et "master regulator"-gen for stresssignalering i hjernen. Alle de tre av hjernens hovedceller - glutamat-, GABA- og ikke-nevronceller - korrelerer med cortex's strukturelle hierarki, med noen mer rikelig på tvers av dens regioner og dybder.

En ressurs for evolusjon

Cortex utvidet seg enormt hos primater og blir ofte sett på som sete for høyere erkjennelse. I en annen analyse sammenlignet teamet apehjernekartet med eksisterende mus og menneskelig atlas for å grave opp nye celletyper spesifikke for primater.

Testen påviste en gruppe eksitatoriske celler i det fjerde laget av primatbarken som er fraværende hos mus. Cellene var sterkt konsentrert foran i hjernen – et område som støtter høyere kognisjon – med gener som tidligere var knyttet til språk, hjerneutvikling og autisme.

Teamet gjorde ressursen gratis for alle. Det gir et overflødighetshorn av data for å takle det eldgamle spørsmålet om hvordan struktur fører til intelligens – og når, hvorfor og hvordan hjernen vår stammer ved nevrologiske sykdommer. Dr. Xun Xu sa at resultatene også kan "fremme gjennombrudd innen hjernevitenskap, for eksempel i hjerneinspirert intelligens og hjerne-datamaskin-grensesnitt."

Alt av datasettet er åpen kildekode. Lek med den her..

Bilde Credit: Macaque Spatial Transcriptomics Atlas / BGI

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/