Các nhà khoa học vừa tiết lộ bản đồ hoàn chỉnh nhất về vỏ khỉ

Một nhóm quốc tế do các nhà khoa học Trung Quốc dẫn đầu vừa xây dựng tập bản đồ hoàn chỉnh nhất về vỏ não khỉ cho đến nay. Lớp ngoài cùng của não, vỏ não chứa nhiều chức năng nhận thức quý giá của chúng ta: khả năng suy luận, đưa ra quyết định và thích ứng với môi trường luôn thay đổi một cách nhanh chóng.

So với các loài động vật khác, các loài linh trưởng — bao gồm cả con người — có vỏ não mở rộng ồ ạt. Các nhà khoa học từ lâu đã nghĩ rằng sự tiến hóa kỳ quặc này là thứ mang lại cho bộ não của chúng ta khả năng quản lý các tính toán phức tạp.

Nhưng bằng cách nào?

Bí mật có thể được ẩn giấu trong nhiều loại tế bào của vỏ não và cách chúng tổ chức. Một chủ đề chính trong sinh học là “cấu trúc xác định chức năng.” Giống như xây dựng một chiếc máy tính từ đầu, mỗi thành phần, vị trí và hệ thống dây điện của nó có thể thay đổi hiệu suất.

Lập danh mục vị trí chính xác của mọi tế bào trong vỏ khỉ có thể giúp giải mã — và có lẽ tái tạo kỹ thuật số — các quy tắc làm cho vỏ linh trưởng trở thành một cỗ máy điện toán.

Nghiên cứu, công bố in Pin, cũng được khai thác thành một công cụ tương đối mới để lập bản đồ não bộ. Gọi điện Âm thanh nổi, công nghệ trích xuất thông tin di truyền—bản phiên mã—từ nhiều ô cùng một lúc, thêm một lớp dữ liệu mới vào vị trí của mỗi ô.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra dấu vân tay phân tử cho mỗi tế bào bằng cách ghi lại hoạt động của khoảng 500 gen. Sau đó, nhờ một lượng lớn AI, họ đã phân loại gần 1.5 triệu tế bào từ 143 vùng thành các loại tế bào riêng biệt và lập bản đồ vị trí của chúng trong vỏ não.

Dự án đã mang lại một số hiểu biết. Các tế bào não có xu hướng hoạt động theo bầy đàn. Một số loại thích bầu bạn với một số tế bào khác, cho thấy chúng hình thành mạng lưới thần kinh cục bộ. Các tế bào thần kinh tăng cường hoặc làm giảm hoạt động tổng thể của não cũng có những điểm ưu tiên, với số lượng của chúng thay đổi giữa các vùng vỏ não và độ sâu.

Ngoài ra, khi so sánh với bản đồ não chuột, bản đồ mới đã tìm thấy một số loại tế bào đặc trưng cho loài linh trưởng tập trung lại với nhau trong một lớp của vỏ não.

“Thành phần tế bào của não và sự phân bố không gian của nó là những vấn đề cơ bản của khoa học não bộ, và tầm quan trọng của nó tương tự như trình tự cơ sở DNA được phát hiện bởi trình tự bộ gen của con người,” nói tác giả nghiên cứu Tiến sĩ Chengyu Li tại Viện Khoa học Trung Quốc. Vỏ não của khỉ giống như vỏ não của chúng ta và nghiên cứu này cung cấp bản đồ đầy đủ nhất về loại hình này.

Một chiếc bánh thần kinh bí ẩn

Vỏ não là một cấu trúc sáu lớp phức tạp chứa đầy các loại tế bào thần kinh khác nhau và các tế bào não khác.

Tế bào thần kinh thường là ngôi sao của chương trình: các tế bào được kích hoạt bằng điện này kết nối với mạng lưới thần kinh để xử lý thông tin. Hai loại chính giúp cân bằng mức độ hoạt động tổng thể của não. Các tế bào glutamatergic rất dễ bị kích thích, tăng cường khả năng tính toán của não bộ. Các tế bào GABAergic ức chế, làm giảm hoạt động của mạng.

Các tế bào không thần kinh hoàn thành bức tranh. Một số giúp bảo vệ não khỏi nhiễm trùng. Những người khác hỗ trợ chuyển hóa thần kinh và làm sạch chất thải phân tử. Chúng không phải là nhân vật phụ: các nghiên cứu gần đây cho thấy chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình mạng lưới thần kinh trong giai đoạn phát triển ban đầu và để chống lại các rối loạn thoái hóa thần kinh như bệnh Alzheimer.

Nghiên cứu mới chủ yếu tập trung vào các tế bào não này.

Cắt lát và thái hạt lựu

Nhóm nghiên cứu đã phân tích não của ba con khỉ macaque đực trưởng thành. Với hơn sáu tỷ tế bào, bộ não của chúng tiến hóa gần với bộ não của chúng ta.

Để bắt đầu, nhóm nghiên cứu cẩn thận cắt não từ trước ra sau bằng nhiều đường cắt chuyên nghiệp. Một, có độ dày gần bằng giấy in, được sử dụng để sắp xếp cấu hình di truyền của từng tế bào.

Các lát khác, liền kề với các khối dày hơn để duy trì tính toàn vẹn của không gian, thậm chí còn mỏng hơn. Đối với một nửa trong số này, nhóm nghiên cứu đã thêm một loại thuốc nhuộm phát sáng trong bóng tối để bám vào các protein nằm rải rác bên ngoài các tế bào thần kinh. Bước này giúp dễ dàng phát hiện các vị trí giải phẫu riêng biệt trong vỏ não.

Lô lát siêu mỏng thứ hai được trích xuất dữ liệu di truyền bằng công cụ Stereo-seq mới. Hãy coi bước này hoạt động giống như một máy ảnh kỹ thuật số, nhưng thay vì ghi lại các pixel, nó sẽ ghi lại dữ liệu biểu hiện gen từ mỗi tế bào dưới dạng RNA thông tin (mRNA). “Bộ phiên mã” thu được là ảnh chụp nhanh tất cả các gen hoạt động của bất kỳ tế bào nào vào bất kỳ thời điểm nào.

Mục tiêu ở đây là chụp ảnh bản phiên mã của mỗi ô trong khi duy trì thông tin về vị trí thực tế của mỗi ô. Giống như cảm biến máy ảnh, quy trình bắt đầu với một con chip silicon có kích thước gần bằng hai con tem. Con chip được thiết kế mới có trường nhìn rộng hơn nhiều so với các phiên bản trước đó—giống như điện thoại ở chế độ toàn cảnh—giúp quét các vùng não lớn hơn dễ dàng hơn.

Điểm xuyết trên mỗi con chip là các mảng 2D gồm các quả cầu nano DNA để bám vào mRNA. Màng tế bào được nhuộm bằng thuốc nhuộm để giúp nhóm khớp dấu vân tay phiên mã với vật chủ của nó.

Bằng cách sử dụng nhiều thuật toán AI, nhóm đã kết hợp tất cả các bộ dữ liệu này vào bản đồ ba chiều, đơn ô đầu tiên trên thế giới về vỏ não khỉ. Mỗi loại tế bào được trình bày chi tiết trong bản đồ, cùng với phân loại ba cấp minh họa cách các tế bào khác nhau qua vỏ não.

Ví dụ, một loại tế bào thần kinh kích thích ở lớp hai và lớp ba trong vỏ não biểu hiện một gen “điều chỉnh chính” cho tín hiệu căng thẳng trong não. Cả ba tế bào chính của não—glutamate, GABA và tế bào không phải tế bào thần kinh—tương quan với hệ thống phân cấp cấu trúc của vỏ não, với một số phong phú hơn trên các vùng và độ sâu của nó.

Một nguồn tài nguyên cho sự tiến hóa

Vỏ não mở rộng rất nhiều ở các loài linh trưởng và thường được coi là nơi chứa đựng khả năng nhận thức cao hơn. Trong một phân tích khác, nhóm nghiên cứu đã so sánh bản đồ não khỉ với chuột và Nhân loại tập bản đồ để khai thác các loại tế bào mới dành riêng cho loài linh trưởng.

Thử nghiệm đã xác định chính xác một nhóm tế bào kích thích ở lớp thứ tư của vỏ não linh trưởng không có ở chuột. Các tế bào tập trung cao độ ở phần trước của não bộ—một khu vực hỗ trợ khả năng nhận thức cao hơn—với các gen trước đây liên quan đến ngôn ngữ, sự phát triển của não bộ và bệnh tự kỷ.

Nhóm đã cung cấp tài nguyên miễn phí cho bất kỳ ai. Nó cung cấp một lượng lớn dữ liệu để giải quyết câu hỏi muôn thuở về cách cấu trúc dẫn đến trí thông minh—và khi nào, tại sao và làm thế nào bộ não của chúng ta nói lắp trong các bệnh thần kinh. Tiến sĩ Xun Xu cho biết kết quả này cũng có thể “thúc đẩy những đột phá trong lĩnh vực khoa học não bộ, chẳng hạn như trí thông minh lấy cảm hứng từ não bộ và giao diện não-máy tính”.

Tất cả các tập dữ liệu là mã nguồn mở. Chơi với nó tại đây.

Ảnh: Bản đồ phiên âm không gian Macaque / BGI

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/