Forskare avslöjade just den mest kompletta kartan över apans cortex ännu

Ett internationellt team ledd av kinesiska forskare har precis byggt den mest kompletta atlasen över makakapens cortex hittills. Det yttersta lagret av hjärnan, cortex, rymmer många av våra uppskattade kognitiva funktioner: förmågan att resonera, fatta beslut och anpassa sig till ständigt föränderliga miljöer i farten.

Jämfört med andra djur har primater – inklusive människor – en kraftigt expanderad cortex. Forskare har länge trott att denna evolutionära egenhet är det som ger våra hjärnor förmågan att hantera komplexa beräkningar.

Men hur?

Hemligheten kan vara gömd i cortex många celltyper och hur de organiserar sig. Ett nyckeltema inom biologi är "struktur bestämmer funktion." Precis som att bygga en dator från grunden kan varje komponent och dess placering och ledningar förändra prestandan.

Att katalogisera den exakta platsen för varje cell i apbarken kan hjälpa till att avkoda – och kanske digitalt återskapa – reglerna som gör primatbarken till ett beräkningskraftverk.

Studien, publicerade in Cell, utnyttjade också ett relativt nytt verktyg för hjärnkartläggning. Kallad Stereo-seq, Tekniken extraherar genetisk information – transkriptomet – från flera celler samtidigt och lägger till ett nytt datalager till varje cells position.

Teamet skapade ett molekylärt fingeravtryck för varje cell genom att registrera aktiviteten hos ungefär 500 gener. Sedan, tack vare en rejäl dos AI, kategoriserade de nästan 1.5 miljoner celler från 143 regioner i distinkta celltyper och kartlade deras plats i cortex.

Projektet har redan gett en del insikter. Hjärnceller tenderar att agera i klick. Vissa typer föredrar sällskap med vissa andra celler, vilket tyder på att de bildar lokala neurala nätverk. Neuroner som antingen ökar eller dämpar den totala hjärnaktiviteten har också föredragna fläckar, med deras antal som växlar mellan kortikala regioner och djup.

Dessutom, jämfört med en mushjärnatlas, fann den nya kartan flera celltyper som är specifika för primater som kurar ihop sig i ett lager av cortex.

"Hjärnans cellsammansättning och dess rumsliga fördelning är de grundläggande frågorna inom hjärnvetenskap, och dess betydelse liknar den DNA-bassekvens som upptäckts genom sekvensering av mänskligt genom," sade studieförfattaren Dr. Chengyu Li vid den kinesiska vetenskapsakademin. Makakhjärnbarken är som vår, och denna studie erbjuder den mest kompletta kartan i sitt slag.

En gåtfull neural kaka

Cortex är en utarbetad struktur i sex lager packad med olika typer av neuroner och andra hjärnceller.

Neuroner är vanligtvis stjärnan i showen: dessa elektriskt aktiverade celler ansluter till neurala nätverk för att bearbeta information. De två huvudtyperna hjälper till att balansera hjärnans övergripande aktivitetsnivå. Glutamatergiska celler är exciterande, vilket ökar hjärnans beräkningar. GABAergiska celler är hämmande, vilket sänker nätverksaktiviteten.

Icke-neurala celler kompletterar bilden. Vissa hjälper till att skydda hjärnan från infektioner. Andra stödjer neural metabolism och städar upp molekylärt avfall. De är inte bikaraktärer: nyare studier visar att de spelar en avgörande roll i utformningen av neurala nätverk i tidig utveckling och för att bekämpa neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers.

Den nya studien fokuserade främst på dessa hjärnceller.

Skiva och tärna

Teamet analyserade hjärnor från tre vuxna manliga makakapor. Med över sex miljarder celler är deras hjärnor evolutionärt nära vår.

Till att börja skära teamet försiktigt hjärnan framifrån och bakifrån med flera expertsnitt. En, ungefär tjockleken på skrivarpapper, användes för att sekvensera varje cells genetiska profil.

Andra skivor, intill de tjockare blocken för att bibehålla rumslig integritet, var ännu tunnare. Till hälften av dessa lade teamet till ett glöd-i-mörker-färgämne som griper tag i proteiner som prickar utsidan av neuronerna. Detta steg gör det enkelt att upptäcka distinkta anatomiska platser i cortex.

Den andra omgången av ultratunna skivor fick sin genetiska data extraherad med hjälp av det nya Stereo-seq-verktyget. Tänk på att det här steget fungerar som en digitalkamera, men istället för att fånga pixlar, fångar det genuttrycksdata från varje cell i form av budbärar-RNA (mRNA). Det resulterande "transkriptomet" är en ögonblicksbild av alla aktiva gener för vilken cell som helst när som helst.

Målet här är att avbilda varje cells transkriptom samtidigt som informationen om varje cells fysiska plats bibehålls. Precis som en kamerasensor börjar processen med ett kiselchip som är ungefär lika stort som två stämplar. Det nydesignade chippet har ett mycket bredare synfält än tidigare iterationer – som en telefon i panoramaläge – vilket gör det lättare att skanna större hjärnområden.

Prickade på varje chip finns 2D-matriser av DNA-nanobollar för att ta tag i mRNA. Cellmembran färgades med färgämnen för att hjälpa laget att matcha ett transkriptomfingeravtryck till sin värd.

Med hjälp av flera AI-algoritmer blandade teamet ihop alla dessa datauppsättningar till världens första tredimensionella encellsatlas över makakbarken. Varje celltyp är detaljerad i kartan, tillsammans med en tre-nivå taxonomi som illustrerar hur celler skiljer sig genom cortex.

Till exempel uttrycker en typ av excitatorisk neuron i lager två och tre i cortex en "master regulator"-gen för stresssignalering i hjärnan. Alla tre av hjärnans huvudceller - glutamat, GABA och icke-neuronceller - korrelerar med cortex strukturella hierarki, med några mer rikliga över dess regioner och djup.

En resurs för evolution

Cortex expanderade enormt hos primater och ses ofta som sätet för högre kognition. I en annan analys jämförde teamet aphjärnkartan med befintlig mus och humant atlaser för att gräva upp nya celltyper specifika för primater.

Testet pekade ut en grupp excitatoriska celler i det fjärde lagret av primatbarken som saknas hos möss. Cellerna var mycket koncentrerade på framsidan av hjärnan - ett område som stöder högre kognition - med gener som tidigare var kopplade till språk, hjärnans utveckling och autism.

Teamet gjorde resursen gratis för alla. Det ger ett ymnighetshorn av data för att ta itu med den urgamla frågan om hur struktur leder till intelligens – och när, varför och hur våra hjärnor stammar vid neurologiska sjukdomar. Dr. Xun Xu sa att resultaten också kan "främja genombrott inom hjärnvetenskapen, till exempel i hjärninspirerad intelligens och hjärn-datorgränssnitt."

Hela datamängden är öppen källkod. Lek med det här..

Image Credit: Makak Spatial Transcriptomics Atlas / BGI

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/