Вчені щойно представили найповнішу карту кори головного мозку мавпи

Міжнародна група під керівництвом китайських вчених щойно створила найповніший на сьогодні атлас кори головного мозку макаки. Зовнішній шар мозку, кора, містить багато наших цінних когнітивних функцій: здатність міркувати, приймати рішення та миттєво адаптуватися до середовища, що постійно змінюється.

Порівняно з іншими тваринами примати, включно з людиною, мають значно розширену кору головного мозку. Вчені давно вважали, що ця еволюційна примха дає нашому мозку здатність керувати складними обчисленнями.

Але як?

Секрет може критися в багатьох типах клітин кори головного мозку та в тому, як вони організовані. Ключовою темою біології є «структура визначає функцію». Подібно до створення комп’ютера з нуля, кожен компонент, його розташування та підключення можуть змінити продуктивність.

Каталогізація точного розташування кожної клітини в корі головного мозку мавпи може допомогти розшифрувати — і, можливо, цифровим способом відтворити — правила, які роблять кору головного мозку приматів обчислювальною силою.

Навчання, опублікований in Осередок, також використав відносно новий інструмент для картографування мозку. Дзвонив Стереосек, технологія витягує генетичну інформацію — транскриптом — з кількох клітин одночасно, додаючи новий рівень даних до позиції кожної клітини.

Команда створила молекулярний відбиток для кожної клітини, записавши активність приблизно 500 генів. Потім, завдяки великій дозі штучного інтелекту, вони розділили майже 1.5 мільйона клітин із 143 регіонів на різні типи клітин і нанесли на карту їх розташування в корі.

Проект уже дав деякі висновки. Клітини мозку мають тенденцію діяти в кліках. Деякі типи віддають перевагу компанії певних інших клітин, припускаючи, що вони утворюють локальні нейронні мережі. Нейрони, які або підвищують, або пригнічують загальну мозкову активність, також мають переважні точки, причому їх кількість змінюється в залежності від кортикальних областей і глибини.

Крім того, у порівнянні з атласом мозку миші нова карта виявила кілька типів клітин, характерних для приматів, зібраних разом в одному шарі кори.

«Клітинний склад мозку та його просторовий розподіл є основними питаннями науки про мозок, і його важливість подібна до базової послідовності ДНК, виявленої за допомогою секвенування геному людини», сказав автор дослідження д-р Chengyu Li з Китайської академії наук. Кора головного мозку макаки схожа на нашу, і це дослідження пропонує найповнішу карту такого роду.

Загадковий нейронний торт

Кора — це складна шестишарова структура, наповнена різними типами нейронів та інших клітин мозку.

Нейрони зазвичай є зіркою шоу: ці електрично активовані клітини з’єднуються в нейронні мережі для обробки інформації. Два основних типи допомагають збалансувати загальний рівень активності мозку. Глутаматергічні клітини є збудливими, прискорюючи обчислення мозку. ГАМКергічні клітини є гальмівними, знижуючи активність мережі.

Ненейронні клітини доповнюють картину. Деякі допомагають захистити мозок від інфекцій. Інші підтримують нервовий метаболізм і очищають молекулярні відходи. Вони не є побічними персонажами: останні дослідження показують, що вони відіграють вирішальну роль у формуванні нейронних мереж на ранніх стадіях розвитку та для боротьби з нейродегенеративними розладами, такими як хвороба Альцгеймера.

Нове дослідження в основному було зосереджено на цих клітинах мозку.

Нарізка та нарізка

Команда проаналізувала мозок трьох дорослих самців макак. Маючи понад шість мільярдів клітин, їхній мозок еволюційно близький до нашого.

Для початку команда ретельно розрізала мозок спереду назад за допомогою кількох експертних надрізів. Один, товщиною приблизно як папір для принтера, використовувався для секвенування генетичного профілю кожної клітини.

Інші зрізи, прилеглі до більш товстих блоків для збереження просторової цілісності, були ще тоншими. До половини з них команда додала барвник, що світиться в темряві, який захоплює білки, розташовані на зовнішній стороні нейронів. Цей крок дозволяє легко визначити чіткі анатомічні місця в корі головного мозку.

Генетичні дані другої партії ультратонких зрізів були вилучені за допомогою нового інструменту Stereo-seq. Подумайте про те, що цей етап працює як цифрова камера, але замість захоплення пікселів він фіксує дані про експресію генів із кожної клітини у формі месенджерної РНК (мРНК). Отриманий «транскриптом» є знімком усіх активних генів будь-якої клітини в будь-який момент.

Мета тут полягає в тому, щоб отримати зображення транскриптома кожної клітини, зберігаючи при цьому інформацію про фізичне розташування кожної клітини. Подібно до датчика камери, процес починається з кремнієвого чіпа розміром приблизно з дві марки. Нещодавно розроблений чіп має набагато ширше поле зору, ніж попередні ітерації, як телефон у панорамному режимі, що полегшує сканування великих областей мозку.

На кожному чіпі позначено двовимірні масиви нанокульок ДНК, які захоплюються мРНК. Клітинні мембрани пофарбували барвниками, щоб допомогти команді зіставити відбиток транскриптома з його хазяїном.

Використовуючи кілька алгоритмів ШІ, команда об’єднала всі ці набори даних у перший у світі тривимірний одноклітинний атлас кори головного мозку макаки. Кожен тип клітин детально описано на карті разом із трирівневою таксономією, яка ілюструє, як клітини відрізняються через кору.

Наприклад, тип збуджувальних нейронів у другому та третьому шарах кори експресує ген «головного регулятора» для сигналізації стресу в мозку. Усі три основні клітини мозку — глутамат, ГАМК і ненейронні клітини — корелюють зі структурною ієрархією кори головного мозку, причому деякі з них більш рясні в її областях і глибинах.

Ресурс для еволюції

Кора головного мозку надзвичайно розширилася у приматів і часто розглядається як місце вищого пізнання. В іншому аналізі команда порівняла карту мозку мавпи з існуючою миша та людина атласи для пошуку нових типів клітин, характерних для приматів.

Тест точно виявив групу збуджуючих клітин у четвертому шарі кори головного мозку приматів, які відсутні у мишей. Клітини були сильно сконцентровані в передній частині мозку — області, що підтримує вищий рівень пізнання — з генами, раніше пов’язаними з мовою, розвитком мозку та аутизмом.

Команда зробила ресурс безкоштовним для всіх. Він надає величезну кількість даних для вирішення одвічного питання про те, як структура веде до інтелекту — і коли, чому та як наш мозок заїкається при неврологічних захворюваннях. Доктор Сюнь Сю сказав, що результати також можуть «сприяти проривам у галузі науки про мозок, наприклад, у розробці інтелекту, натхненного мозком, та інтерфейсів мозок-комп’ютер».

Весь набір даних є відкритим кодом. Пограйте з ним тут.

Зображення Фото: Атлас просторової транскриптомії макаки / BGI

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/