Ученые представили самую полную карту коры обезьяны

Международная команда под руководством китайских ученых только что создала самый полный на сегодняшний день атлас коры головного мозга макак. В самом внешнем слое мозга, в коре, находятся многие из наших ценных когнитивных функций: способность рассуждать, принимать решения и адаптироваться к постоянно меняющимся условиям на лету.

По сравнению с другими животными, приматы, включая людей, имеют сильно расширенную кору. Ученые долгое время считали, что эта эволюционная причуда дает нашему мозгу возможность управлять сложными вычислениями.

Но как?

Секрет может быть скрыт во многих типах клеток коры и в том, как они организованы. Ключевой темой биологии является «структура определяет функцию». Как и при сборке компьютера с нуля, каждый компонент, его размещение и подключение могут повлиять на производительность.

Каталогизация точного местоположения каждой клетки в коре обезьяны может помочь расшифровать — и, возможно, воссоздать в цифровом виде — правила, которые делают кору приматов вычислительным центром.

В исследовании, опубликованный in Ячейка, также использовал относительно новый инструмент для картирования мозга. Называется Стерео-секвенсор, технология извлекает генетическую информацию — транскриптом — сразу из нескольких клеток, добавляя новый слой данных к положению каждой клетки.

Команда создала молекулярный отпечаток для каждой клетки, записав активность примерно 500 генов. Затем, благодаря огромной дозе искусственного интеллекта, они разделили почти 1.5 миллиона клеток из 143 областей на отдельные типы клеток и нанесли на карту их расположение в коре.

Проект уже дал некоторые идеи. Клетки мозга склонны действовать группами. Некоторые типы предпочитают компанию некоторых других клеток, предполагая, что они образуют локальные нейронные сети. Нейроны, которые либо усиливают, либо ослабляют общую мозговую активность, также имеют предпочтительные участки, причем их количество меняется в зависимости от области коры и глубины.

Кроме того, по сравнению с атласом мозга мыши новая карта обнаружила несколько типов клеток, специфичных для приматов, сгруппированных вместе в одном слое коры.

«Состав клеток мозга и их пространственное распределение являются основными проблемами науки о мозге, и их важность аналогична последовательности оснований ДНК, обнаруженной при секвенировании генома человека». — сказал автор исследования доктор Чэньюй Ли из Китайской академии наук. Кора головного мозга макак похожа на нашу, и это исследование предлагает наиболее полную карту такого рода.

Загадочный нейронный торт

Кора представляет собой сложную шестислойную структуру, заполненную различными типами нейронов и других клеток мозга.

Нейроны обычно являются звездой шоу: эти электрически активируемые клетки соединяются в нейронные сети для обработки информации. Два основных типа помогают сбалансировать общий уровень активности мозга. Глутаматергические клетки возбуждают, ускоряя вычисления мозга. ГАМКергические клетки тормозят, снижая сетевую активность.

Ненервные клетки дополняют картину. Некоторые помогают защитить мозг от инфекций. Другие поддерживают нейронный метаболизм и очищают молекулярные отходы. Они не являются второстепенными персонажами: недавние исследования показывают, что они играют решающую роль в формировании нейронных сетей на раннем этапе развития и в борьбе с нейродегенеративными расстройствами, такими как болезнь Альцгеймера.

Новое исследование в основном сосредоточено на этих клетках мозга.

Нарезка и нарезка

Команда проанализировала мозг трех взрослых самцов макак. Их мозг с более чем шестью миллиардами клеток эволюционно близок к нашему.

Для начала команда тщательно разрезала мозг спереди назад, сделав несколько профессиональных надрезов. Один, толщиной примерно с бумагу для принтера, использовался для секвенирования генетического профиля каждой клетки.

Другие срезы, примыкающие к более толстым блокам для сохранения пространственной целостности, были еще тоньше. К половине из них команда добавила светящийся в темноте краситель, который захватывает белки, расположенные снаружи нейронов. Этот шаг позволяет легко определить различные анатомические местоположения в коре головного мозга.

Генетические данные второй партии ультратонких срезов были извлечены с помощью нового инструмента Stereo-seq. Представьте, что этот шаг работает как цифровая камера, но вместо захвата пикселей он фиксирует данные об экспрессии генов из каждой клетки в форме матричной РНК (мРНК). Полученный «транскриптом» представляет собой снимок всех активных генов любой клетки в любой момент времени.

Цель здесь состоит в том, чтобы отобразить транскриптом каждой клетки, сохраняя при этом информацию о физическом местоположении каждой клетки. Как и датчик камеры, процесс начинается с кремниевого чипа размером примерно с две марки. Недавно разработанный чип имеет гораздо более широкое поле зрения, чем предыдущие итерации — как телефон в панорамном режиме — что упрощает сканирование больших областей мозга.

На каждом чипе усеяны двумерные массивы наношариков ДНК, которые захватывают мРНК. Клеточные мембраны были окрашены красителями, чтобы помочь команде сопоставить отпечаток транскриптома с хозяином.

Используя несколько алгоритмов искусственного интеллекта, команда объединила все эти наборы данных в первый в мире трехмерный одноклеточный атлас коры макаки. Каждый тип клеток подробно описан на карте вместе с трехуровневой таксономией, которая иллюстрирует, как клетки различаются по коре.

Например, тип возбуждающего нейрона во втором и третьем слоях коры экспрессирует ген «главного регулятора» для передачи сигналов стресса в головном мозге. Все три основные клетки мозга — глутаматная, ГАМК и ненейронные клетки — коррелируют со структурной иерархией коры, причем некоторые из них более распространены в ее областях и глубинах.

Ресурс для эволюции

Кора головного мозга у приматов сильно расширилась, и ее часто рассматривают как центр высшего познания. В другом анализе команда сравнила карту мозга обезьяны с существующей. мышь и человек атласы для поиска новых типов клеток, специфичных для приматов.

Тест выявил группу возбуждающих клеток в четвертом слое коры приматов, которые отсутствуют у мышей. Клетки были сильно сконцентрированы в передней части мозга — области, поддерживающей более высокое познание — с генами, ранее связанными с языком, развитием мозга и аутизмом.

Команда сделала ресурс бесплатным для всех. Он предоставляет изобилие данных для решения извечного вопроса о том, как структура приводит к интеллекту, а также когда, почему и как наш мозг заикается при неврологических заболеваниях. Доктор Сюнь Сюй сказал, что результаты могут также «способствовать прорывам в области науки о мозге, например, в области интеллекта, вдохновленного мозгом, и интерфейсов мозг-компьютер».

Весь набор данных является открытым исходным кодом. Играть с этим здесь.

Изображение Фото: Атлас пространственной транскриптомики макак / BGI

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/