Oamenii de știință tocmai au dezvăluit cea mai completă hartă a cortexului maimuței de până acum

O echipă internațională condusă de oameni de știință chinezi tocmai a construit cel mai complet atlas al cortexului maimuței macac până în prezent. Stratul cel mai exterior al creierului, cortexul adăpostește multe dintre funcțiile noastre cognitive prețuite: capacitatea de a raționa, de a lua decizii și de a se adapta la medii în continuă schimbare din mers.

În comparație cu alte animale, primatele - inclusiv oamenii - au un cortex masiv extins. Oamenii de știință au crezut de multă vreme că această ciudație evolutivă este ceea ce oferă creierului nostru capacitatea de a gestiona calcule complexe.

Dar cum?

Secretul poate fi ascuns în numeroasele tipuri de celule ale cortexului și în modul în care acestea se organizează. O temă cheie în biologie este „structura determină funcția”. La fel ca construirea unui computer de la zero, fiecare componentă și amplasarea și cablarea acesteia pot modifica performanța.

Catalogarea locației precise a fiecărei celule din cortexul maimuței ar putea ajuta la decodarea – și poate la recrearea digitală – a regulilor care fac din cortexul primatelor o putere de calcul.

Studiul, publicat in Celulă, a folosit, de asemenea, un instrument relativ nou pentru cartografierea creierului. Chemat Stereo-seq, tehnologia extrage informații genetice - transcriptomul - din mai multe celule simultan, adăugând un nou strat de date la poziția fiecărei celule.

Echipa a creat o amprentă moleculară pentru fiecare celulă prin înregistrarea activității a aproximativ 500 de gene. Apoi, datorită unei doze mari de IA, ei au clasificat aproape 1.5 milioane de celule din 143 de regiuni în tipuri de celule distincte și au cartografiat locația lor în cortex.

Proiectul a oferit deja câteva perspective. Celulele creierului tind să acționeze în clicuri. Unele tipuri preferă compania anumitor alte celule, sugerând că acestea formează rețele neuronale locale. Neuronii care fie intensifică, fie reduc activitatea generală a creierului au, de asemenea, puncte preferate, numărul lor schimbându-se între regiunile corticale și adâncime.

De asemenea, în comparație cu un atlas al creierului de șoarece, noua hartă a găsit mai multe tipuri de celule specifice primatelor înghesuite într-un singur strat al cortexului.

„Compoziția celulară a creierului și distribuția sa spațială sunt problemele de bază ale științei creierului, iar importanța sa este similară cu secvența de baze ADN descoperită prin secvențierea genomului uman.” a spus autorul studiului Dr. Chengyu Li la Academia Chineză de Științe. Cortexul cerebral macac este ca al nostru, iar acest studiu oferă cea mai completă hartă de acest gen.

Un tort neuronal enigmatic

Cortexul este o structură elaborată cu șase straturi, plină de diferite tipuri de neuroni și alte celule ale creierului.

Neuronii sunt de obicei vedeta spectacolului: aceste celule activate electric se conectează în rețele neuronale pentru a procesa informații. Cele două tipuri principale ajută la echilibrarea nivelului general de activitate al creierului. Celulele glutamatergice sunt excitatoare, crescând calculul creierului. Celulele GABAergice sunt inhibitoare, reducând activitatea rețelei.

Celulele non-neurale completează imaginea. Unele ajută la protejarea creierului de infecții. Alții susțin metabolismul neuronal și curăță deșeurile moleculare. Nu sunt personaje secundare: studii recente arată că joacă un rol critic în formarea rețelelor neuronale în dezvoltarea timpurie și în lupta împotriva tulburărilor neurodegenerative precum Alzheimer.

Noul studiu s-a concentrat în principal pe aceste celule ale creierului.

Tăierea și tăierea cubulețelor

Echipa a analizat creierele de la trei maimuțe macac masculi adulte. Cu peste șase miliarde de celule, creierul lor este aproape evolutiv de al nostru.

Pentru început, echipa a tăiat cu grijă creierul din față în spate cu mai multe tăieturi experte. Unul, aproximativ grosimea hârtiei de imprimantă, a fost folosit pentru a secvența profilul genetic al fiecărei celule.

Alte felii, adiacente blocurilor mai groase pentru a menține integritatea spațială, au fost și mai subțiri. La jumătate dintre acestea, echipa a adăugat un colorant care strălucește în întuneric care se prinde de proteinele care punctează exteriorul neuronilor. Acest pas facilitează identificarea unor locații anatomice distincte în cortex.

Al doilea lot de felii ultra-subțiri a avut datele genetice extrase prin intermediul noului instrument Stereo-seq. Gândiți-vă la acest pas care funcționează ca o cameră digitală, dar în loc să capteze pixeli, captează datele despre expresia genelor din fiecare celulă sub formă de ARN mesager (ARNm). „Transcriptomul” rezultat este un instantaneu al tuturor genelor active pentru orice celulă în orice moment.

Scopul aici este să imagineze transcriptomul fiecărei celule, păstrând în același timp informații despre locația fizică a fiecărei celule. La fel ca un senzor de cameră, procesul începe cu un cip de siliciu de dimensiunea aproximativă a două ștampile. Cipul nou proiectat are un câmp vizual mult mai larg decât iterațiile anterioare - ca un telefon în modul panoramic - ceea ce face mai ușor să scaneze regiuni mai mari ale creierului.

Punctate pe fiecare cip sunt matrice 2D de nanobbile de ADN pentru a se apuca de ARNm. Membranele celulare au fost colorate cu coloranți pentru a ajuta echipa să potrivească amprenta transcriptomului cu gazda.

Folosind mai mulți algoritmi de inteligență artificială, echipa a combinat toate aceste seturi de date în primul atlas tridimensional, cu o singură celulă, al cortexului de macac. Fiecare tip de celulă este detaliat în hartă, împreună cu o taxonomie pe trei niveluri care ilustrează modul în care celulele diferă prin cortex.

De exemplu, un tip de neuron excitator din straturile doi și trei din cortex exprimă o genă „regulator principal” pentru semnalizarea stresului în creier. Toate cele trei celule principale ale creierului - glutamatul, GABA și celulele non-neuronale - se corelează cu ierarhia structurală a cortexului, cu unele mai abundente în regiunile și adâncimile sale.

O resursă pentru evoluție

Cortexul sa extins enorm la primate și este adesea văzut ca sediul cunoașterii superioare. Într-o altă analiză, echipa a comparat harta creierului maimuței cu cea existentă mouse și uman atlase pentru a descoperi noi tipuri de celule specifice primatelor.

Testul a identificat un grup de celule excitatoare în al patrulea strat al cortexului primatelor care sunt absente la șoareci. Celulele erau foarte concentrate în partea din față a creierului - o zonă care susține o cunoaștere superioară - cu gene legate anterior de limbaj, dezvoltarea creierului și autism.

Echipa a făcut resursa gratuită pentru oricine. Oferă o mulțime de date pentru a aborda problema veche a modului în care structura conduce la inteligență și când, de ce și cum creierul nostru bâlbâie în boli neurologice. Dr. Xun Xu a spus că rezultatele pot, de asemenea, „promova descoperiri în domeniul științei creierului, cum ar fi inteligența inspirată de creier și interfețele creier-calculator”.

Toate seturile de date sunt open source. Joacate cu ea aici.

Credit imagine: Atlasul de transcripție spațială de macaci / BGI

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/