Znanstveniki so pravkar razkrili najbolj popoln zemljevid opičjega korteksa doslej

Mednarodna ekipa, ki so jo vodili kitajski znanstveniki, je pravkar izdelala najpopolnejši atlas skorje opice makaka doslej. Najbolj zunanja plast možganov, korteks, hrani številne naše dragocene kognitivne funkcije: sposobnost razmišljanja, sprejemanja odločitev in sprotnega prilagajanja nenehno spreminjajočim se okoljem.

V primerjavi z drugimi živalmi imajo primati – vključno z ljudmi – močno razširjeno skorjo. Znanstveniki so dolgo mislili, da je ta evolucijska posebnost tisto, kar daje našim možganom sposobnost upravljanja zapletenih izračunov.

Ampak kako?

Skrivnost se morda skriva v številnih tipih celic korteksa in v tem, kako se organizirajo. Ključna tema v biologiji je "struktura določa funkcijo." Tako kot pri izdelavi računalnika iz nič lahko vsaka komponenta, njena postavitev in ožičenje spremenijo delovanje.

Katalogiziranje natančne lokacije vsake celice v skorji opice bi lahko pomagalo dekodirati – in morda digitalno poustvariti – pravila, zaradi katerih je skorja primatov računalniška sila.

Študij, objavljeno in Celica, je uporabil tudi razmeroma novo orodje za kartiranje možganov. Poklican Stereo-sekvenca, tehnologija izvleče genetske informacije – transkriptome – iz več celic hkrati in doda novo podatkovno plast na položaj vsake celice.

Ekipa je ustvarila molekularni prstni odtis za vsako celico tako, da je zabeležila aktivnost približno 500 genov. Nato so zahvaljujoč velikemu odmerku umetne inteligence kategorizirali skoraj 1.5 milijona celic iz 143 regij v različne tipe celic in preslikali njihovo lokacijo v skorji.

Projekt je že prinesel nekaj vpogledov. Možganske celice ponavadi delujejo v klikah. Nekatere vrste imajo raje družbo določenih drugih celic, kar nakazuje, da tvorijo lokalne nevronske mreže. Nevroni, ki povečajo ali zmanjšajo celotno možgansko aktivnost, imajo tudi prednostne točke, pri čemer se njihovo število spreminja med kortikalnimi regijami in globino.

Tudi v primerjavi z atlasom mišjih možganov je novi zemljevid našel več tipov celic, značilnih za primate, stisnjenih skupaj v eni plasti skorje.

"Celična sestava možganov in njihova prostorska porazdelitev sta osnovni vprašanji znanosti o možganih, njen pomen pa je podoben osnovnemu zaporedju DNK, ki so ga odkrili s sekvenciranjem človeškega genoma," je dejal avtor študije dr. Chengyu Li na Kitajski akademiji znanosti. Možganska skorja makaka je podobna naši in ta študija ponuja najbolj popoln zemljevid te vrste.

Enigmatična nevronska torta

Korteks je izdelana šestplastna struktura, polna različnih vrst nevronov in drugih možganskih celic.

Nevroni so običajno glavna zvezda predstave: te električno aktivirane celice se povezujejo v nevronske mreže za obdelavo informacij. Dve glavni vrsti pomagata uravnotežiti splošno raven aktivnosti možganov. Glutamatergične celice so ekscitatorne in pospešujejo možgansko računanje. GABAergične celice delujejo zaviralno in zmanjšujejo mrežno aktivnost.

Neživčne celice dopolnjujejo sliko. Nekateri pomagajo zaščititi možgane pred okužbami. Drugi podpirajo nevronski metabolizem in čistijo molekularne odpadke. Niso stranski liki: nedavne študije kažejo, da igrajo ključno vlogo pri oblikovanju nevronskih mrež v zgodnjem razvoju in za boj proti nevrodegenerativnim motnjam, kot je Alzheimerjeva bolezen.

Nova študija se je osredotočila predvsem na te možganske celice.

Rezanje in rezanje na kocke

Ekipa je analizirala možgane treh odraslih samcev opic makakov. Z več kot šestimi milijardami celic so njihovi možgani evolucijsko blizu našim.

Za začetek je ekipa previdno prerezala možgane od spredaj nazaj z več strokovnimi rezi. Ena, približno debeline papirja za tiskalnik, je bila uporabljena za zaporedje genetskega profila vsake celice.

Druge rezine, ki mejijo na debelejše bloke, da ohranijo prostorsko celovitost, so bile še tanjše. Polovici teh je ekipa dodala barvilo, ki se sveti v temi, ki se oprime beljakovin, ki segajo na zunanjost nevronov. Ta korak olajša odkrivanje različnih anatomskih lokacij v skorji.

Genetski podatki druge serije ultratankih rezin so bili pridobljeni z novim orodjem Stereo-seq. Pomislite, da ta korak deluje kot digitalni fotoaparat, vendar namesto zajema slikovnih pik zajema podatke o izražanju genov iz vsake celice v obliki sporočilne RNK (mRNA). Nastali "transkriptom" je posnetek vseh aktivnih genov za katero koli celico v katerem koli trenutku.

Cilj tukaj je posneti transkriptom vsake celice, hkrati pa ohraniti informacije o fizični lokaciji vsake celice. Tako kot senzor kamere se postopek začne s silikonskim čipom, ki je približno velik kot dve znamki. Na novo oblikovani čip ima veliko širše vidno polje kot prejšnje iteracije - kot telefon v panoramskem načinu - zaradi česar je lažje skenirati večje možganske regije.

Na vsakem čipu so pikčasti 2D nizi nanokroglic DNK, ki jih je treba zgrabiti na mRNA. Celične membrane so bile obarvane z barvili, da bi ekipi pomagali uskladiti prstni odtis transkriptoma z njegovim gostiteljem.

Z uporabo več algoritmov umetne inteligence je ekipa združila vse te nabore podatkov v prvi svetovni tridimenzionalni enocelični atlas skorje makaka. Vsak tip celice je podrobno opisan na zemljevidu, skupaj s tristopenjsko taksonomijo, ki ponazarja, kako se celice razlikujejo skozi skorjo.

Na primer, vrsta ekscitatornega nevrona v plasti dva in tri v korteksu izraža gen "glavnega regulatorja" za signalizacijo stresa v možganih. Vse tri glavne možganske celice – glutamat, GABA in ne-nevronske celice – so v korelaciji s strukturno hierarhijo možganske skorje, pri čemer jih je nekaj več v njenih regijah in globinah.

Vir za evolucijo

Korteks se je pri primatih močno razširil in nanjo pogosto gledajo kot na sedež višje kognicije. V drugi analizi je ekipa primerjala možganski zemljevid opice z obstoječim miš in človeškega atlase za odkrivanje novih tipov celic, značilnih za primate.

Test je natančno določil skupino ekscitatornih celic v četrti plasti skorje primata, ki jih pri miših ni. Celice so bile močno koncentrirane v sprednjem delu možganov – območju, ki podpira višjo kognicijo – z geni, ki so bili prej povezani z jezikom, razvojem možganov in avtizmom.

Ekipa je omogočila, da je vir brezplačen za vsakogar. Zagotavlja ogromno podatkov za reševanje prastarega vprašanja, kako struktura vodi do inteligence – in kdaj, zakaj in kako naši možgani jecljajo pri nevroloških boleznih. Dr. Xun Xu je dejal, da lahko rezultati tudi "spodbujajo preboje na področju znanosti o možganih, kot je inteligenca, ki jo navdihujejo možgani, in vmesniki možgani-računalnik."

Ves nabor podatkov je odprtokoden. Igrajte se z njim tukaj.

Kreditno slike: Atlas prostorske transkriptomije makakov / BGI

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/