Wyobraź sobie mapę z każdą gwiazdą w galaktyce. Mapa jest tak szczegółowa, że pokazuje, jak wygląda każda gwiazda, z czego się składa, z którą inną gwiazdą są połączone wielkie prawa fizyki kosmosu. Chociaż nie mamy jeszcze takiej astronomicznej mapy nieba, dzięki monumentalnemu badaniu opublikowanemu w zeszłym tygodniu w Neuronie, mamy podobną mapę mózgu.
Gdyby każdy neuron był galaktyką, synapsy to małe struktury rozrzucone w kropkach wzdłuż neuronów serpentynowych - to są gwiazdy. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Edynburgu w Wielkiej Brytanii stworzył pierwszą szczegółową mapę każdej synapsy w mózgu myszy.
Mapa mózgu: klucz do układanki myślenia
Używając genetycznie zmodyfikowanych myszy, naukowcy dosłownie rozświetlili każdą synapsę światłem fluorescencyjnym w całym mózgu, jak gwiazdy na niebie. I tak jak gwiazdy różnią się od siebie, naukowcy odkryli, że synapsy są bardzo zróżnicowane, ale obserwuje się wzorce, które mogą wspierać pamięć i myślenie.
Szczegółowe mapy pokazały podstawowe prawo aktywności mózgu. Korzystając z uczenia maszynowego, zespół podzielił około miliarda synaps w mózgu na 37 typów synaps. Oto sedno: kiedy zestawy neuronów otrzymują informacje elektryczne, na przykład, wybierając między różnymi rozwiązaniami problemu, unikalne podtypy synaps rozproszone między różnymi neuronami jednogłośnie błyszczą aktywnością.
Innymi słowy, synapsy są różnego typu. Każdy typ może kontrolować myśl, decyzję lub pamięć.
Film promocyjny:
Nic dziwnego, że neuronaukowcy odnieśli się do pracy bardzo pozytywnie.
„Wow” - skomentował Ben Sanders z University of Minnesota.
To „niesamowity artykuł katalogujący różnorodność i rozmieszczenie podtypów synaps w mózgu myszy”, pisze neurogenetyk Kevin Mitchell. To „podkreśla fakt, że synapsy są kluczowymi elementami obliczeniowymi układu nerwowego”.
Podłącz connectome
Zainteresowanie naukowców stworzeniem „synaptomu” - pierwszego kompletnego katalogu synaps w mózgu myszy - wynikało z dużo większego projektu: konektomu.
Krótko mówiąc, konektom to wszystkie połączenia neuronowe w tobie. Jak mówi dr Sebastian Sjung, konektom jest biologiczną podstawą tego, kim jesteś - twoich wspomnień, twojej osobowości, twoich myśli i rozumowania. Złap konektom, a pewnego dnia naukowcy będą w stanie Cię zrekonstruować, naśladując cały mózg.
A jednak konektom opisuje tylko, w jaki sposób neurony funkcjonują ze sobą. Gdzie w mózgu jest to fizycznie zakodowane.
W tym miejscu do gry wchodzą synapsy. Neurolodzy od dawna wiedzą, że synapsy przekazują informacje między neuronami za pomocą chemikaliów i elektryczności. Pojawiły się również wskazówki, że synapsy różnią się znacznie w zależności od zawartych w nich białek, ale to rozróżnienie jest zwykle ignorowane. Do niedawna większość naukowców uważała, że prawdziwe obliczenia odbywają się w ciele nerwowym - bulwiastej części neuronu, z której wyłaniają się gałęzie.
Jak wyjaśniają autorzy, do tej pory nie było sposobu, aby przyjrzeć się morfologii i funkcji synaps w mózgu. Zwykle skupialiśmy się na mapowaniu tych ważnych punktów połączeń na małych obszarach.
A jeśli tak, przyszłe emulatory mózgu wreszcie znajdą przyczółek.
Mapa synaptomu
Aby zbudować synaptom myszy, autorzy opracowali plan o nazwie SYNMAP. Zaczęli od myszy modyfikowanych genetycznie, których synapsy świeciły różnymi kolorami. Każda synapsa jest gęsto upakowana różnymi białkami, wśród których najbardziej znanymi dżentelmenami są PSD-95 i SAP102. Nie daj się zastraszyć imionom. Autorzy dodali do nich świecące białka, które działały jak latarki, oświetlając każdą synapsę w mózgu.
Ogólnie rzecz biorąc, naukowcy najpierw zmienili biologię myszy, powodując, że jej synapsy świecą w świetle fluorescencyjnym.
Następnie skrupulatnie pokroili mózg na kawałki, za pomocą mikroskopu zrobili zdjęcia synaps w różnych obszarach mózgu i złożyli je razem.
Obraz synaptyczny przypomina niewprawne oko ciasno upakowaną mapę gwiazd - taką, jaką ostatnio sfilmował Hubble. Kategoryzacja każdej synapsy wykracza poza możliwości (i czas) jakiejkolwiek osoby, dlatego naukowcy wykorzystali nowe metody klasyfikacji z wykorzystaniem uczenia maszynowego i opracowali algorytm, który analizuje te dane - ponad 10 terabajtów - automatycznie, bez potrzeby nadzoru.
Fizyczny łącznik
Początkowo naukowców uderzyły „ekspresyjne schematy” lśniących synaps. Jedno znakowane białko - PSD-95 - zdawało się wisieć w bardziej odległych częściach mózgu, gdzie mają miejsce wyższe funkcje poznawcze. Chociaż regiony zachodzą na siebie, inne świecące białko preferuje bardziej wewnętrzne obszary mózgu.
Po dokładniejszym przyjrzeniu się okazało się, że dwa świecące białka reprezentują różne zestawy synaps - wyjaśniają autorzy. Każdy obszar mózgu ma charakterystyczną „sygnaturę synaptyczną”. Podobnie jak odciski palców, które różnią się kształtem i rozmiarem, różne obszary mózgu wydają się zawierać synapsy różniące się składem, rozmiarem i liczbą białek.
Korzystając ze specjalnie zaprojektowanego algorytmu uczenia maszynowego, naukowcy podzielili synapsy na 37 podtypów. Co ciekawe, regiony mózgu związane z wyższymi zdolnościami rozumowania i myślenia również zawierały najbardziej zróżnicowaną populację synaps, podczas gdy „regiony mózgu gadów” były bardziej jednorodne pod względem treści synaptycznej.
Aby sprawdzić, czy różnorodność synaps pomaga w przetwarzaniu informacji, naukowcy wykorzystali symulacje komputerowe, aby pokazać, jak synapsy reagują na normalne obwody elektryczne w hipokampie, obszarze mózgu ważnym dla uczenia się i zapamiętywania. Hipokamp jest jednym z obszarów, które wykazują uderzającą różnorodność podtypów synaps.
Co ważne, każdy rodzaj przetwarzania informacji elektrycznej jest przesyłany do unikalnej mapy synaptomu - zmień wejście, synaptom się zmieni.
Sugeruje to, że mózg może przetwarzać wiele informacji elektrycznych za pomocą jednego obszaru mózgu, ponieważ zaangażowane są różne synaptozy.
Naukowcy odkryli podobne wyniki, rejestrując obwody elektryczne mózgów myszy, próbujących wybrać jedną z trzech opcji nagrody. Różne synaptomy były odpalane, gdy wybór był dobry lub zły. Synaptomy, niczym mapa wewnętrznego myślenia, tworzyły żywy obraz tego, co myślała mysz, dokonując wyboru.
Każde zachowanie aktywuje oddzielny synaptom. Każdy synaptom to wyjątkowa obsada procesu myślowego.
Przeprogramowanie synaptomu
Podobnie jak kod komputerowy, synaptom wydaje się leżeć u podstaw wyniku obliczeniowego - decyzji lub myśli. A jeśli zmienię ten kod?
Choroby psychiczne często mają przyczyny genetyczne, które wpływają na białka w synapsie. Korzystając z myszy, które wykazywały objawy podobne do schizofrenii lub autyzmu, naukowcy zmapowali ich synapsy - i odkryli dramatyczne zmiany w strukturze i połączeniu różnych podtypów synaps w mózgu.
Na przykład, w odpowiedzi na normalne obwody elektryczne w mózgu, niektóre mapy synaptyczne były słabe, podczas gdy inne stały się nienormalnie silne u zmutowanych myszy. Mutacje mogą zmienić synaptom i potencjalnie prowadzić do zaburzeń psychicznych. Oznacza to, że niektóre choroby psychiczne „przeprogramowują” synaptom. Silniejsze lub po prostu nowe mapy synaptyczne mogą być przyczyną urojeń i halucynacji u pacjentów ze schizofrenią.
Więc jesteś swoim synaptomem?
Może. Twoja istota - wspomnienia, myśli - wydaje się być odciśnięta w tym, jak różne synapsy są aktywowane w odpowiedzi na dane wejściowe. Podobnie jak odcisk palca, synaptom można odczytać, aby rozszyfrować, o czym myślisz. Jednak te badania to dopiero początek. Neuronaukowcy jeszcze nie przeanalizowali złożonych powiązań między synapsami a tobą.
Ilya Khel