Kuvittele kartta, jossa on kaikki galaksin tähdet. Kartta on niin yksityiskohtainen, että se näyttää miltä kukin tähti näyttää, mistä se koostuu, johon toiseen tähtiin liittyy avaruuden fysiikan suuret lait. Vaikka meillä ei ole vielä tällaista taivaan tähtitieteellistä karttaa, viime viikolla Neuronissa julkaistun monumentaalisen tutkimuksen ansiosta meillä on samanlainen aivokartta.
Jos jokainen hermosolu olisi galaksi, synapsit ovat pieniä rakenteita, jotka on siroteltu pisteinä serpentinineuroneita pitkin - nämä ovat tähdet. Ryhmä tutkijoita Edinburghin yliopistosta Isossa-Britanniassa on rakentanut ensimmäisen yksityiskohtaisen kartan jokaisesta synapsista hiiren aivoissa.
Aivukartta: avain ajattelun palapeliin
Geneettisesti muunnettuja hiiriä käyttämällä tutkijat kirjaimellisesti saivat jokaisen synapsin syttymään fluoresoivassa valossa koko aivoissa, kuten taivaan tähdet. Ja aivan kuten tähdet eroavat toisistaan, tutkijat ovat havainneet synapsien olevan hyvin erilaisia, mutta havaitaan malleja, jotka tukevat muistia ja ajattelua.
Yksityiskohtaiset kartat osoittivat aivojen toiminnan peruslain. Koneoppimisen avulla ryhmä on luokitellut aivojen noin miljardin synapsin 37 tyyppiseksi synapsiksi. Tässä on kohta: kun neuronijoukot vastaanottavat sähköistä tietoa, esimerkiksi valitsemalla ongelman eri ratkaisujen välillä, eri neuronien kesken sirotetut synapsien ainutlaatuiset alatyypit kimaltelevat yksimielisesti aktiivisuudesta.
Toisin sanoen synapsit ovat erityyppisiä. Ja jokainen tyyppi voi hallita ajatusta, päätöstä tai muistia.
Mainosvideo:
Ei ole yllättävää, että neurotieteilijät ovat reagoineet työhön erittäin myönteisesti.
"Vau", kommentoi Ben Sanders Minnesotan yliopistosta.
Se on "uskomaton artikkeli, joka luetteloi synapsityyppityyppien monimuotoisuuden ja jakautumisen hiiren aivoissa", kirjoittaa neurogenetiikka Kevin Mitchell. Tämä "korostaa sitä tosiasiaa, että synapsit ovat hermoston avainlaskentaelementtejä".
Kytke yhteys
Tutkijoiden mielenkiinto luoda "synaptome" - ensimmäinen täydellinen luettelo synapsista hiiren aivoissa - johtui paljon suuremmasta projektista: connectomesta.
Lyhyesti sanottuna, yhteyshenkilö on kaikki sisälläsi olevat hermoyhteydet. Kuten tohtori Sebastian Sjung sanoo, yhteydenotto on biologinen perusta kuka olet - muistot, persoonallisuuttasi, ajatuksesi ja päättelysi. Ota kiinni yhteys, ja tiedemiehet pystyvät jälleen rakentamaan sinut jäljittelemällä koko aivoja.
Ja vielä, kytkentätapa kuvaa vain kuinka neuronit funktionaalisesti puhuvat keskenään. Missä aivoissa se on fyysisesti koodattu.
Tässä synapsit tulevat peliin. Neurotieteilijät ovat jo kauan tiedneet, että synapsit välittävät tietoa neuronien välillä kemikaalien ja sähkön avulla. On myös vihjeitä, että synapsit eroavat suuresti niiden sisältämistä proteiineista, mutta tämä erottelu on yleensä jätetty huomiotta. Viime aikoihin asti useimmat tutkijat uskoivat, että todelliset laskelmat tapahtuivat hermokehossa - neuronin sipuliosassa, josta oksat nousevat.
Tähän asti ei ole ollut mitään tapaa tarkastella synapsien morfologiaa ja toimintaa koko aivoissa, kirjoittajat selittävät. Olemme yleensä keskittyneet näiden tärkeiden yhteyspisteiden kartoittamiseen pienillä alueilla.
Ja jos niin, tulevat aivoemulaattorit löytävät lopulta jalansijan.
Synaptome-kartta
Hiiren synaptomin rakentamiseksi tekijät laativat suunnitelman nimeltä SYNMAP. He aloittivat muuntogeenisistä hiiristä, joiden synapsit hehkuivat eri väreillä. Jokainen synapsia on tiheästi pakattu erilaisilla proteiineilla, joista PSD-95 ja SAP102 ovat tunnetuimpia herrasmiesiä. Älä pelkää nimeä. Kirjoittajat lisäsivät hehkuvia proteiineja, jotka toimivat taskulamppuina valaiseen kutakin synapsia aivoissa.
Yleensä tutkijat muuttivat ensin hiiren biologiaa saattamalla sen synapsit hehkumaan fluoresoivassa valossa.
Sitten he leikkasivat huolellisesti aivot paloiksi, käyttivät mikroskoopilla kuvia synapsista aivojen eri alueilla ja yhdistivät kuvat.
Synaptinen kuva muistuttaa kouluttamatonta silmää tiiviisti pakatusta tähtikartasta - kuten Hubblen äskettäin kuvaama. Kunkin synapsin luokittelu ylittää kenenkään kyvyn (ja ajan), joten tutkijat ovat käyttäneet uusia luokittelumenetelmiä koneoppimisen avulla ja kehittäneet algoritmin, joka jäsentää nämä tiedot - yli 10 teratavua - automaattisesti ilman tarvetta valvontaan.
Fyysinen yhteys
Aluksi tutkijoita iski loistavien synapsien "ilmaisutavat". Yksi leimattu proteiini - PSD-95 - näytti olevan hengailla aivojen kaukaisimmissa osissa, joissa tapahtuvat korkeammat kognitiiviset toiminnot. Vaikka alueet ovat päällekkäin, toinen hehkuva proteiini on suosinut enemmän aivojen sisäisistä alueista.
Lähemmin tutkittaessa kävi ilmi, että nämä kaksi hehkuvaproteiinia edustavat erilaisia synapsisarjoja, kirjoittajat selittivät. Jokaisella aivoalueella on ominainen "synaptinen allekirjoitus". Kuten sormenjäljet, joiden muoto ja koko eroavat toisistaan, aivojen eri alueet näyttävät sisältävän synapsit, jotka eroavat proteiinikoostumuksesta, koosta ja lukumäärästä.
Tutkijat luokittelivat synapsit 37 alatyyppiin käyttämällä erityisesti suunniteltua koneoppimisalgoritmia. Huomattavana on, että aivoalueet, joihin liittyy korkeampi päättely- ja ajattelukyky, sisälsivät myös monimuotoisimman synapsipopulaation, kun taas "reptilialaiset aivoalueet" olivat synaptisen sisällön suhteen homogeenisempia.
Jotta voidaan nähdä, auttaako synapsien monimuotoisuus tietojenkäsittelyssä, tutkijat käyttivät tietokonesimulaatioita osoittaakseen, kuinka synapsit reagoivat normaaliin sähköpiireihin hippokampuksessa, joka on oppimisen ja muistin kannalta tärkeä aivoalue. Hippokampus on yksi niistä alueista, joilla esiintyy silmiinpistävää monimuotoisuutta synapse-alatyypeissä.
Tärkeää on, että jokainen sähköinen tietojenkäsittelytyyppi siirretään yksilölliseen synaptomikarttaan - vaihda tuloa, synaptome muuttuu.
Tämä viittaa siihen, että aivot voivat käsitellä useita sähköisiä tietoja käyttämällä yhtä aivoaluetta, koska kyseessä ovat eri synaptoosit.
Tutkijat löysivät samanlaisia tuloksia, kun he kirjasivat hiirien aivojen sähköpiirit yrittäen valita kolmesta palkitsemisvaihtoehdosta. Erilaisia synaptomeja ammuttiin, kun valinta oli oikea tai väärä. Kuten sisäisen ajattelun kartta, synaptomit maalasivat elävän kuvan siitä, mitä hiiri ajatteli valintaa tehdessään.
Jokainen käyttäytyminen aktivoi erillisen synaptomin. Jokainen synaptome on ainutlaatuinen ajatusprosessin osa.
Synaptomin uudelleenohjelmointi
Kuten tietokonekoodi, synaptome näyttää perustuvan laskennalliseen lopputulokseen - päätökseen tai ajatukseen. Entä jos vaihdan tämän koodin?
Psyykkisillä sairauksilla on usein geneettisiä syitä, jotka vaikuttavat synapsin proteiineihin. Käyttämällä hiiriä, joilla oli skitsofrenian tai autismin kaltaisia oireita, tutkijat kartoittivat synapsinsa - ja löysivät dramaattisia muutoksia aivojen synapsien eri alatyyppien rakenteessa ja yhteydessä toisiinsa.
Esimerkiksi vasteena aivojen normaaleihin sähköpiireihin, jotkut synaptiset kartat olivat heikkoja, kun taas toisista tuli epänormaalin vahvoja mutanttihiirissä. Mutaatiot voivat muuttaa synaptomia ja johtaa mahdollisesti psykiatrisiin häiriöihin. Eli jotkut psykiatriset sairaudet "ohjelmoivat" synaptomin. Vahvemmat tai yksinkertaisesti uudet synaptiset kartat voivat olla syynä skitsofreniapotilaille harhaluuloihin ja hallusinaatioihin.
Joten olet synaptomesi?
Voi olla. Sinun ydin - muistot, ajatukset - näyttää olevan leimautuneena siihen, kuinka erilaiset synapsit aktivoituvat vastauksena syötteeseen. Kuten sormenjälki, synaptome voidaan lukea salaamaan mitä ajattelet. Tämä tutkimus on kuitenkin vasta alku. Neurotieteilijöiden ei ole vielä analysoitu synapsien ja sinun välisiä monimutkaisia yhteyksiä.
Ilja Khel