Predstavljajte si zemljevid z vsako zvezdo v galaksiji. Zemljevid je tako podroben, da prikazuje, kako izgleda vsaka zvezda, iz česa je sestavljena, s katero drugo zvezdo so povezani veliki zakoni fizike vesolja. Čeprav še nimamo take astronomske karte nebes, imamo zahvaljujoč monumentalni študiji, objavljeni prejšnji teden v Neuronu, podobno možgansko karto.
Če bi bil vsak nevron galaksija, so sinapse majhne strukture, raztresene v pikah vzdolž serpentinskih nevronov - to so zvezde. Skupina znanstvenikov z univerze v Edinburghu v Veliki Britaniji je izdelala prvi podroben zemljevid vsake sinapse v mišjih možganih.
Možganski zemljevid: ključ do uganke razmišljanja
Z uporabo gensko spremenjenih miši so znanstveniki dobesedno prižgali vsako sinapo pod fluorescenčno svetlobo po vseh možganih, kot zvezde na nebu. In tako kot se zvezde med seboj razlikujejo, so znanstveniki ugotovili, da so sinapse zelo raznolike, vendar obstajajo vzorci, ki lahko podpirajo spomin in razmišljanje.
Podrobni zemljevidi so pokazali temeljni zakon možganske dejavnosti. Z uporabo strojnega učenja je skupina razvrstila približno milijardo sinaps v možganih v 37 vrst sinaps. Tu je točka: ko nabori nevronov prejemajo električne informacije, na primer izbirajo med različnimi rešitvami problema, edinstvene podtipe sinaps, raztresene med različnimi nevroni, soglasno izžarevajo z aktivnostjo.
Z drugimi besedami, sinapse so različnih vrst. In vsaka vrsta lahko nadzoruje misel, odločitev ali spomin.
Promocijski video:
Presenetljivo so nevroznanstveniki na delo reagirali zelo pozitivno.
"Vau," je komentiral Ben Sanders z univerze v Minnesoti.
Gre za "neverjeten članek, ki katalogizira raznolikost in porazdelitev podtipov sinaps po mišjih možganih," piše nevrogenetsist Kevin Mitchell. To "poudarja dejstvo, da so sinapse ključni računalniški elementi živčnega sistema."
Poveži koneomete
Zanimanje znanstvenikov za ustvarjanje "sinaptoma" - prvega celovitega kataloga sinaps v mišjih možganih - je izhajalo iz veliko večjega projekta: koneome.
Skratka, povezovalni člen so vse nevronske povezave znotraj vas. Kot pravi doktor Sebastian Sjung, povezljivost je biološka osnova tega, kdo ste - vaši spomini, osebnost, misli in sklepi. Ujemite poveznico in nekega dne vas bodo znanstveniki lahko rekonstruirali tako, da boste posnemali cele možgane.
In vendar, povezovalni člen opisuje le, kako se nevroni funkcionalno pogovarjajo med seboj. Kje v možganih je fizično kodirano.
Tu se začnejo igrati sinapse. Nevroznanstveniki že dolgo vedo, da sinapse prenašajo informacije med nevroni s pomočjo kemikalij in električne energije. Pojavljajo se tudi namigi, da se sinapse zelo razlikujejo glede na beljakovine, ki jih vsebujejo, vendar je to razlikovanje običajno prezrto. Do nedavnega je večina znanstvenikov verjela, da se v nevronskem telesu - čebulnem delu nevrona, iz katerega izhajajo veje, izvajajo pravi izračuni.
Avtorji pojasnjujejo, da morfologija in delovanje sinapsov v možganih doslej ni bilo mogoče pregledati. Običajno smo se osredotočili na preslikavo teh pomembnih povezav na majhnih območjih.
In če bo tako, bodo bodoči emulatorji možganov končno našli oporo.
Zemljevid sinapse
Da bi ustvarili mišji sinaptom, so avtorji zasnovali načrt, imenovan SYNMAP. Začeli so z gensko spremenjenimi mišmi, katerih sinapse so žarele z različnimi barvami. Vsaka sinapsa je gosto napolnjena z različnimi beljakovinami, med katerimi sta najbolj znana gospoda PSD-95 in SAP102. Imena ne bodite ustrahovana. Avtorji so jim dodali žareče beljakovine, ki so delovale kot bliskavice in osvetljujejo vsako sinago v možganih.
Na splošno so znanstveniki najprej spremenili biologijo miške, tako da so njene sinapse žarele pod fluorescenčno svetlobo.
Nato so mukotrpno razrezali možgane na koščke, z mikroskopom posneli sinapse v različnih regijah možganov in slike postavili skupaj.
Sinaptična slika spominja na neizobraženo oko na tesno natisnjenem zemljevidu zvezd - kot na tistem, ki ga je Hubble pred kratkim posnel. Kategorizacija vsake sinapse presega zmožnosti (in časovno razporeditev) katere koli osebe, zato so znanstveniki uporabili nove metode razvrščanja s pomočjo strojnega učenja in razvili algoritem, ki te podatke - več kot 10 terabajtov - samodejno razčleni - brez nadzora.
Fizični konekom
Znanstvenike so sprva prizadele "izrazne sheme" sijočih sinaps. Zdi se, da je en označen protein - PSD-95 - visel v bolj oddaljenih delih možganov, kjer potekajo večje kognitivne funkcije. Čeprav se regije prekrivajo, je drug žareči protein raje več notranjih možganskih področij.
Po natančnejšem pregledu se je izkazalo, da dva žareča proteina predstavljata različne sklope sinaps, so pojasnili avtorji. Vsako področje možganov ima značilen "sinaptični podpis." Tako kot prstni odtisi, ki se razlikujejo po obliki in velikosti, se zdi, da tudi v različnih možganskih območjih obstajajo sinapse, ki se razlikujejo po sestavi, velikosti in številu beljakovin.
S pomočjo posebej zasnovanega algoritma strojnega učenja so znanstveniki razvrstili sinapse v 37 podtipov. Presenetljivo je, da so možganske regije, povezane z večjimi sposobnostmi razmišljanja in razmišljanja, vsebovale tudi najbolj raznoliko populacijo sinaps, medtem ko so bile "reptilske možganske regije" bolj homogene po sinaptični vsebini.
Znanstveniki so uporabili računalniške simulacije, da bi videli, ali raznolikost sinapsov pomaga pri obdelavi informacij, da bi prikazali, kako se sinapse odzivajo na običajna električna vezja v hipokampusu, območju možganov, pomembnem za učenje in spomin. Hipokampus je eno od področij, ki kažejo presenetljivo raznolikost v podtipih sinapse.
Pomembno je, da se vsaka vrsta električne obdelave informacij posreduje na edinstveno karto sinaptikov - spremenite vhod, sinaptom se bo spremenil.
To kaže, da lahko možgani obdelujejo več električnih informacij z uporabo enega področja možganov, ker gre za različne sinaptoze.
Znanstveniki so našli podobne rezultate, ko so snemali električna vezja možganov miši, ki so poskušali izbirati med tremi možnostmi nagrajevanja. Ko je bila izbira pravilna ali napačna, so odpustili različne sinaptome. Tako kot zemljevid notranjega razmišljanja so sinaptomi naslikali živo sliko, kaj je mišla, ko je izbirala.
Vsako vedenje aktivira ločen sinaptom. Vsak sinaptom je edinstvena zasedba miselnega procesa.
Reprogramiranje sinaptoma
Tako kot računalniška koda se zdi, da tudi sinaptom temelji na računskem rezultatu - odločitvi ali razmišljanju. Kaj če spremenim to kodo?
Psihiatrične bolezni imajo pogosto genetske vzroke, ki vplivajo na beljakovine v sinapsi. Z mišmi, ki so kazale simptome, podobne shizofreniji ali avtizmu, so znanstveniki preslikali svoje sinapse - in ugotovili dramatične spremembe v načinu strukturiranja in povezovanja različnih sinaptičnih podtipov.
Na primer, kot odziv na normalne električne tokokroge v možganih so bili nekateri sinaptični zemljevidi šibki, drugi pa so postali nenormalno močni pri mutiranih miših. Mutacije lahko spremenijo sinaptome in lahko vodijo do psihiatričnih motenj. Se pravi, da nekatere psihiatrične bolezni sinaprofim "reprogramirajo". Močnejši ali preprosto novi sinaptični zemljevidi so lahko razlog, da bolniki s shizofreno doživljajo blodnje in halucinacije.
Torej ste vaš sinaptom?
Mogoče. Zdi se, da je bistvo vas - spomini, misli - vtisnjeno v tem, kako se aktivirajo različne sinapse kot odziv na vnos. Tako kot prstni odtis bi lahko sinaptom prebrali, da bi razvozlali, kaj mislite. Vendar pa je ta raziskava šele začetek. Nevroznanstveniki še niso analizirali zapletenih povezav med sinapsami in vami.
Ilya Khel