Naukowcy właśnie odsłonili najbardziej kompletną mapę kory mózgowej małpy

Międzynarodowy zespół kierowany przez chińskich naukowców właśnie stworzył najbardziej kompletny jak dotąd atlas kory makaków. Najbardziej zewnętrzna warstwa mózgu, kora, zawiera wiele naszych cennych funkcji poznawczych: zdolność rozumowania, podejmowania decyzji i dostosowywania się do ciągle zmieniających się środowisk w locie.

W porównaniu z innymi zwierzętami naczelne - w tym ludzie - mają znacznie rozszerzoną korę. Naukowcy od dawna uważali, że to ewolucyjne dziwactwo daje naszym mózgom zdolność do zarządzania złożonymi obliczeniami.

Ale jak?

Sekret może być ukryty w wielu typach komórek kory mózgowej i sposobie ich organizacji. Kluczowym tematem w biologii jest „struktura determinuje funkcję”. Podobnie jak w przypadku budowania komputera od podstaw, każdy komponent, jego rozmieszczenie i okablowanie mogą mieć wpływ na wydajność.

Skatalogowanie dokładnej lokalizacji każdej komórki w korze mózgowej małpy mogłoby pomóc w rozszyfrowaniu – i być może cyfrowym odtworzeniu – reguł, które czynią z kory naczelnych potęgę obliczeniową.

Badania, opublikowany in Komórka, wykorzystał również stosunkowo nowe narzędzie do mapowania mózgu. Zwany sekwencja stereo, technologia wydobywa informacje genetyczne — transkryptom — z wielu komórek jednocześnie, dodając nową warstwę danych do pozycji każdej komórki.

Zespół stworzył molekularny odcisk palca dla każdej komórki, rejestrując aktywność około 500 genów. Następnie, dzięki ogromnej dawce sztucznej inteligencji, skategoryzowali prawie 1.5 miliona komórek ze 143 regionów na różne typy komórek i zmapowali ich lokalizację w korze mózgowej.

Projekt przyniósł już pewne spostrzeżenia. Komórki mózgowe mają tendencję do działania w klikach. Niektóre typy wolą towarzystwo pewnych innych komórek, co sugeruje, że tworzą lokalne sieci neuronowe. Neurony, które albo przyspieszają, albo tłumią ogólną aktywność mózgu, również mają preferowane miejsca, a ich liczba zmienia się między regionami korowymi i głębokością.

Ponadto, w porównaniu z atlasem mózgu myszy, nowa mapa wykazała kilka typów komórek specyficznych dla naczelnych skupionych razem w jednej warstwie kory mózgowej.

„Skład komórek mózgu i jego rozmieszczenie przestrzenne to podstawowe zagadnienia nauki o mózgu, a jego znaczenie jest podobne do sekwencji zasad DNA odkrytej przez sekwencjonowanie ludzkiego genomu” powiedziany autor badania dr Chengyu Li z Chińskiej Akademii Nauk. Kora mózgowa makaka jest podobna do naszej, a to badanie oferuje najbardziej kompletną mapę tego rodzaju.

Enigmatyczny tort neuronowy

Kora jest skomplikowaną sześciowarstwową strukturą wypełnioną różnymi typami neuronów i innych komórek mózgowych.

Neurony są zwykle gwiazdą przedstawienia: te aktywowane elektrycznie komórki łączą się w sieci neuronowe w celu przetwarzania informacji. Dwa główne typy pomagają zrównoważyć ogólny poziom aktywności mózgu. Komórki glutaminergiczne są pobudzające, przyspieszając obliczenia mózgu. Komórki GABAergiczne działają hamująco, obniżając aktywność sieci.

Komórki nieneuronalne uzupełniają obraz. Niektóre pomagają chronić mózg przed infekcjami. Inne wspierają metabolizm nerwowy i oczyszczają odpady molekularne. Nie są postaciami pobocznymi: ostatnie badania pokazują, że odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu sieci neuronowych na wczesnym etapie rozwoju oraz w walce z zaburzeniami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Alzheimera.

Nowe badanie skupiło się głównie na tych komórkach mózgowych.

Krojenie i kostkowania

Zespół przeanalizował mózgi trzech dorosłych samców makaków. Mając ponad sześć miliardów komórek, ich mózgi są ewolucyjnie zbliżone do naszego.

Na początek zespół ostrożnie przeciął mózg od przodu do tyłu kilkoma specjalistycznymi cięciami. Jeden, mniej więcej grubości papieru do drukarki, został użyty do sekwencjonowania profilu genetycznego każdej komórki.

Inne plastry, sąsiadujące z grubszymi blokami w celu zachowania integralności przestrzennej, były jeszcze cieńsze. Do połowy z nich zespół dodał świecący w ciemności barwnik, który chwyta białka rozsiane po zewnętrznej stronie neuronów. Ten krok ułatwia dostrzeżenie różnych anatomicznych lokalizacji w korze mózgowej.

Dane genetyczne drugiej partii ultracienkich skrawków zostały wyodrębnione za pomocą nowego narzędzia Stereo-seq. Wyobraź sobie, że ten krok działa jak aparat cyfrowy, ale zamiast przechwytywać piksele, przechwytuje dane dotyczące ekspresji genów z każdej komórki w postaci informacyjnego RNA (mRNA). Powstały „transkryptom” jest migawką wszystkich aktywnych genów dowolnej komórki w dowolnym momencie.

Celem jest zobrazowanie transkryptomu każdej komórki przy jednoczesnym zachowaniu informacji o fizycznej lokalizacji każdej komórki. Podobnie jak czujnik aparatu, proces rozpoczyna się od krzemowego chipa wielkości mniej więcej dwóch znaczków. Nowo zaprojektowany chip ma znacznie szersze pole widzenia niż poprzednie iteracje — jak telefon w trybie panoramicznym — co ułatwia skanowanie większych obszarów mózgu.

Na każdym chipie znajdują się dwuwymiarowe macierze nanokulek DNA, które można uchwycić mRNA. Błony komórkowe barwiono barwnikami, aby pomóc zespołowi dopasować odcisk palca transkryptomu do gospodarza.

Korzystając z wielu algorytmów sztucznej inteligencji, zespół połączył wszystkie te zbiory danych w pierwszy na świecie trójwymiarowy atlas pojedynczych komórek kory makaka. Każdy typ komórek jest wyszczególniony na mapie wraz z trójpoziomową taksonomią, która ilustruje różnice między komórkami w korze mózgowej.

Na przykład pewien typ neuronu pobudzającego w warstwach drugiej i trzeciej kory mózgowej wykazuje ekspresję genu „głównego regulatora” odpowiedzialnego za sygnalizację stresu w mózgu. Wszystkie trzy główne komórki mózgu – glutaminian, GABA i komórki nieneuronowe – korelują z hierarchią strukturalną kory mózgowej, a niektóre są bardziej obfite w jej regionach i głębiach.

Zasoby dla ewolucji

Kora rozszerzyła się ogromnie u naczelnych i często jest postrzegana jako siedziba wyższego poznania. W innej analizie zespół porównał mapę mózgu małpy z istniejącą mysz i człowiek atlasów, aby wykopać nowe typy komórek specyficzne dla naczelnych.

Test wskazał grupę komórek pobudzających w czwartej warstwie kory mózgowej naczelnych, których nie ma u myszy. Komórki były silnie skoncentrowane w przedniej części mózgu – obszarze wspierającym wyższe funkcje poznawcze – z genami wcześniej związanymi z językiem, rozwojem mózgu i autyzmem.

Zespół udostępnił zasób każdemu. Dostarcza róg obfitości danych do odpowiedzi na odwieczne pytanie, w jaki sposób struktura prowadzi do inteligencji - oraz kiedy, dlaczego i jak nasze mózgi jąkają się w chorobach neurologicznych. Dr Xun Xu powiedział, że wyniki mogą również „promować przełomy w dziedzinie nauki o mózgu, takie jak inteligencja inspirowana mózgiem i interfejsy mózg-komputer”.

Cały zestaw danych jest open source. Baw się tym tutaj.

Kredytowych Image: Atlas transkryptomiki przestrzennej makaków / BGI

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/