นักวิทยาศาสตร์เพิ่งเปิดเผยแผนที่เยื่อหุ้มสมองลิงที่สมบูรณ์ที่สุด

ทีมนานาชาติที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวจีนเพิ่งสร้างแผนที่เปลือกนอกของลิงแสมที่สมบูรณ์ที่สุดจนถึงปัจจุบัน เยื่อหุ้มสมองชั้นนอกสุดเป็นที่อยู่ของหน้าที่ทางการรับรู้ที่มีค่ามากมายของเรา: ความสามารถในการใช้เหตุผล ตัดสินใจ และปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

เมื่อเปรียบเทียบกับสัตว์ชนิดอื่น ไพรเมตรวมถึงมนุษย์มีเยื่อหุ้มสมองที่ขยายตัวอย่างมาก นักวิทยาศาสตร์คิดมานานแล้วว่าลักษณะเฉพาะของวิวัฒนาการนี้คือสิ่งที่ทำให้สมองของเรามีความสามารถในการจัดการการคำนวณที่ซับซ้อน

แต่อย่างไร

ความลับอาจซ่อนอยู่ในเซลล์หลายชนิดของเยื่อหุ้มสมองและวิธีจัดระเบียบเซลล์ ประเด็นสำคัญทางชีววิทยาคือ "โครงสร้างกำหนดหน้าที่" เช่นเดียวกับการสร้างคอมพิวเตอร์ตั้งแต่เริ่มต้น ส่วนประกอบแต่ละชิ้น การจัดวางและการเดินสายสามารถเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพได้

การจัดทำรายการตำแหน่งที่แม่นยำของทุกเซลล์ในคอร์เทกซ์ของลิงสามารถช่วยถอดรหัส—และอาจสร้างแบบดิจิทัลขึ้นมาใหม่—กฎที่ทำให้ไพรเมตคอร์เทกซ์เป็นขุมพลังในการคำนวณ

การเรียน, การตีพิมพ์ in เซลล์เป็นเครื่องมือที่ค่อนข้างใหม่สำหรับการทำแผนที่สมอง เรียกว่า สเตอริโอ seq, เทคโนโลยีนี้ดึงข้อมูลทางพันธุกรรมซึ่งก็คือทรานสคริปโตมออกจากเซลล์หลายเซลล์พร้อมกัน โดยเพิ่มชั้นข้อมูลใหม่ไปยังตำแหน่งของเซลล์แต่ละเซลล์

ทีมสร้างลายนิ้วมือโมเลกุลสำหรับแต่ละเซลล์โดยบันทึกกิจกรรมของยีนประมาณ 500 ยีน จากนั้น ต้องขอบคุณ AI ที่มีปริมาณมหาศาล พวกเขาจัดหมวดหมู่เซลล์เกือบ 1.5 ล้านเซลล์จาก 143 ภูมิภาคเป็นประเภทเซลล์ที่แตกต่างกัน และทำแผนที่ตำแหน่งของพวกมันในคอร์เทกซ์

โครงการได้ให้ข้อมูลเชิงลึกบางอย่างแล้ว เซลล์สมองมักจะทำงานเป็นกลุ่ม บางประเภทชอบที่จะอยู่ร่วมกับเซลล์อื่นๆ บางเซลล์ ซึ่งบ่งบอกว่าพวกมันสร้างเครือข่ายประสาทเฉพาะ เซลล์ประสาทที่เพิ่มขึ้นหรือลดการทำงานของสมองโดยรวมก็มีจุดที่ต้องการเช่นกัน โดยจำนวนของพวกมันจะเปลี่ยนไประหว่างบริเวณเปลือกนอกและความลึก

นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับแผนที่สมองของหนู แผนที่ใหม่ยังพบเซลล์หลายประเภทเฉพาะสำหรับไพรเมตที่เบียดเสียดกันอยู่ในชั้นหนึ่งของเยื่อหุ้มสมอง

“องค์ประกอบของเซลล์ของสมองและการกระจายเชิงพื้นที่เป็นประเด็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์สมอง และความสำคัญของมันคล้ายกับลำดับเบสของ DNA ที่ค้นพบโดยการจัดลำดับจีโนมของมนุษย์” กล่าวว่า ผู้เขียนการศึกษา Dr. Chengyu Li จาก Chinese Academy of Sciences เปลือกสมองของลิงแสมก็เหมือนกับของเรา และการศึกษานี้นำเสนอแผนที่ที่สมบูรณ์ที่สุดในประเภทเดียวกัน

เค้กประสาทปริศนา

เยื่อหุ้มสมองเป็นโครงสร้าง XNUMX ชั้นที่ซับซ้อนซึ่งเต็มไปด้วยเซลล์ประสาทและเซลล์สมองประเภทต่างๆ

เซลล์ประสาทมักเป็นดาวเด่นของการแสดง: เซลล์ที่เปิดใช้งานด้วยไฟฟ้าเหล่านี้เชื่อมต่อกับโครงข่ายประสาทเทียมเพื่อประมวลผลข้อมูล ทั้งสองประเภทหลักช่วยให้ระดับกิจกรรมโดยรวมของสมองสมดุล เซลล์กลูตามาเทอจิคเป็นตัวกระตุ้น เร่งการประมวลผลของสมอง เซลล์ GABAergic เป็นตัวยับยั้ง ลดการทำงานของเครือข่าย

เซลล์ที่ไม่ใช่เซลล์ประสาททำให้ภาพสมบูรณ์ บางชนิดช่วยปกป้องสมองจากการติดเชื้อ อื่น ๆ สนับสนุนการเผาผลาญของระบบประสาทและทำความสะอาดของเสียระดับโมเลกุล พวกเขาไม่ใช่ตัวละครรอง: การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่าพวกเขามีบทบาทสำคัญในการสร้างโครงข่ายประสาทเทียมในการพัฒนาระยะแรกและในการต่อสู้กับความผิดปกติของระบบประสาทเช่นอัลไซเมอร์

การศึกษาใหม่มุ่งเน้นไปที่เซลล์สมองเหล่านี้เป็นหลัก

การหั่นและการหั่นเต๋า

ทีมวิเคราะห์สมองของลิงแสมตัวผู้ที่โตเต็มวัยสามตัว ด้วยจำนวนเซลล์กว่าหกพันล้านเซลล์ สมองของพวกมันมีวิวัฒนาการใกล้เคียงกับของเรา

ในการเริ่มต้น ทีมงานได้หั่นสมองจากด้านหน้าไปด้านหลังอย่างระมัดระวังด้วยการตัดโดยผู้เชี่ยวชาญหลายครั้ง หนึ่งคือใช้ความหนาประมาณกระดาษเครื่องพิมพ์เพื่อจัดลำดับโปรไฟล์ทางพันธุกรรมของเซลล์แต่ละเซลล์

ชิ้นอื่น ๆ ที่อยู่ติดกับบล็อกที่หนาขึ้นเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของพื้นที่นั้นบางลง ในจำนวนนี้ครึ่งหนึ่ง ทีมงานได้เพิ่มสีย้อมเรืองแสงในที่มืดที่จับกับโปรตีนที่อยู่ด้านนอกของเซลล์ประสาท ขั้นตอนนี้ทำให้ง่ายต่อการระบุตำแหน่งทางกายวิภาคที่แตกต่างกันในเยื่อหุ้มสมอง

ชิ้นที่บางเฉียบชุดที่สองมีการสกัดข้อมูลทางพันธุกรรมโดยใช้เครื่องมือ Stereo-seq ใหม่ ให้คิดว่าขั้นตอนนี้ทำงานเหมือนกล้องดิจิทัล แต่แทนที่จะจับพิกเซล จะจับข้อมูลการแสดงออกของยีนจากแต่ละเซลล์ในรูปแบบของ messenger RNA (mRNA) ผลลัพธ์ของ "การถอดเสียง" คือสแนปชอตของยีนที่ใช้งานอยู่ทั้งหมดสำหรับเซลล์ใดๆ ในช่วงเวลาใดๆ

เป้าหมายที่นี่คือการสร้างภาพทรานสคริปโตมของเซลล์แต่ละเซลล์ในขณะที่รักษาข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งทางกายภาพของเซลล์แต่ละเซลล์ เช่นเดียวกับเซ็นเซอร์กล้อง กระบวนการเริ่มต้นด้วยชิปซิลิกอนขนาดประมาณสองแสตมป์ ชิปที่ออกแบบใหม่มีขอบเขตการมองเห็นที่กว้างกว่ารุ่นก่อนๆ เช่น โทรศัพท์ในโหมดพาโนรามา ทำให้ง่ายต่อการสแกนบริเวณสมองที่ใหญ่ขึ้น

จุดบนชิปแต่ละอันคืออาร์เรย์ 2 มิติของ DNA nanoballs เพื่อจับบน mRNA เยื่อหุ้มเซลล์ถูกย้อมด้วยสีย้อมเพื่อช่วยให้ทีมจับคู่ลายนิ้วมือทรานสคริปโตมกับโฮสต์ของมัน

ทีมงานใช้อัลกอริธึม AI หลายชุดในการรวบรวมชุดข้อมูลเหล่านี้เป็นแผนที่เซลล์เดียวแบบสามมิติแห่งแรกของโลกของเยื่อหุ้มสมองลิงแสม เซลล์แต่ละประเภทมีรายละเอียดในแผนที่ พร้อมด้วยอนุกรมวิธานสามระดับที่แสดงให้เห็นว่าเซลล์แตกต่างกันอย่างไรในเยื่อหุ้มสมอง

ตัวอย่างเช่น เซลล์ประสาทกระตุ้นชนิดหนึ่งในชั้นที่ XNUMX และ XNUMX ในเยื่อหุ้มสมองแสดงออกถึงยีน "ผู้ควบคุมหลัก" สำหรับการส่งสัญญาณความเครียดในสมอง เซลล์หลักทั้งสามเซลล์ของสมอง ได้แก่ กลูตาเมต, GABA และเซลล์ที่ไม่ใช่เซลล์ประสาท มีความสัมพันธ์กับลำดับชั้นทางโครงสร้างของเยื่อหุ้มสมอง โดยเซลล์บางส่วนมีมากขึ้นตามภูมิภาคและระดับความลึก

ทรัพยากรสำหรับวิวัฒนาการ

เยื่อหุ้มสมองขยายตัวอย่างมากในไพรเมตและมักถูกมองว่าเป็นที่นั่งของความรู้ความเข้าใจที่สูงขึ้น ในการวิเคราะห์อื่น ทีมงานเปรียบเทียบแผนที่สมองของลิงกับที่มีอยู่ เม้าส์ และ เป็นมนุษย์ atlases เพื่อขุดเซลล์ชนิดใหม่เฉพาะสำหรับไพรเมต

การทดสอบระบุกลุ่มเซลล์ excitatory ในชั้นที่สี่ของไพรเมตคอร์เทกซ์ซึ่งไม่มีอยู่ในหนูทดลอง เซลล์มีความเข้มข้นสูงในส่วนหน้าของสมอง ซึ่งเป็นพื้นที่ที่สนับสนุนความรู้ความเข้าใจที่สูงขึ้น โดยก่อนหน้านี้ยีนเชื่อมโยงกับภาษา การพัฒนาสมอง และออทิสติก

ทีมงานทำให้ทรัพยากรฟรีสำหรับทุกคน มันให้ข้อมูลมากมายสำหรับจัดการกับคำถามเก่าแก่ว่าโครงสร้างนำไปสู่ความฉลาดได้อย่างไร เมื่อไหร่ ทำไม และสมองของเราพูดติดอ่างอย่างไรในโรคทางระบบประสาท ดร. Xun Xu กล่าวว่าผลลัพธ์ที่ได้อาจ "ส่งเสริมความก้าวหน้าในด้านวิทยาศาสตร์สมอง เช่น ความฉลาดที่ได้รับแรงบันดาลใจจากสมอง และส่วนต่อประสานระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์"

ชุดข้อมูลทั้งหมดเป็นโอเพ่นซอร์ส เล่นกับมัน โปรดคลิกที่นี่เพื่ออ่านรายละเอียดเพิ่มเติม.

เครดิตภาพ: Atlas Transcriptomics เชิงพื้นที่ของ Macaque / บีจีไอ

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. ยานยนต์ / EVs, คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• BlockOffsets การปรับปรุงการเป็นเจ้าของออฟเซ็ตด้านสิ่งแวดล้อมให้ทันสมัย เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/