Tänk dig en karta med varje stjärna i galaxen. Karta som är så detaljerad att det ser ut som att varje stjärna är, vad det består av, vad andra stjärnan är förenat med stora fysiska lagar i kosmos. Även om vi ännu inte har en astronomisk karta över himlen, tack vare en monumental studie som publicerades förra veckan i Neuron, vi har en liknande karta över hjärnan.
Om varje neuron var en galax, synapserna är små strukturer, poäng rassypnye längs snake-som förlängningar av nervceller — stjärnor. En grupp av forskare från University of Edinburgh i STORBRITANNIEN byggdes den första detaljerade kartan över varje synaps i musens hjärna.
En karta över hjärnan: nyckeln till gåtan om tänkande
Med hjälp av genetiskt modifierade möss, är forskarna bokstavligen körde varje synaps att lysa upp under en fluorescerande ljus runt hjärnan som stjärnorna på himlen. Och, precis som stjärnorna skiljer sig från varandra, har forskare upptäckt att synapser är mycket olika, men de observerade mönster som stöd för minne och tänkande.
“Den mänskliga hjärnan har fler synapser än stjärnorna i galaxen. Hjärnan är den mest komplexa objekt som är kända för oss, och förstå dess anslutningar på denna nivå kommer att vara ett viktigt steg framåt i den uppenbarelse av hans hemligheter, säger huvudförfattare Dr Seth Bidrag från Centrum för klinisk hjärnan vetenskap.
Detaljerade kartor visade en grundläggande lagen för hjärnans aktivitet. Med hjälp av maskininlärning ett team av forskare fördelade ungefär en miljard synapser i hela hjärnan i 37 kategorier efter typ. Här är de viktigaste: när uppsättningar av nervceller som tar emot elektriska information, till exempel, att välja mellan olika lösningar till problem, en unik subtyper av synapser spridda mellan olika nervceller, enhälligt gnistor verksamhet.
Med andra ord, synapserna är av olika typer. Och varje typ kan styra tanken, beslut eller minne.
Det är inte förvånande att neuroforskare har svarat att de arbetar mycket positivt.
“Wow,” säger Ben Sanders från University of Minnesota.
Denna “fantastiska artikeln, catalogservlet mångfald och distribution av subtyper av synapser i hela hjärnan hos möss”, skriver neurogenetic Kevin Mitchell. Det understryker det faktum att synapser är de viktigaste beräknings delar av nervsystemet.”
Ansluta connectomes
Intresset av forskare i att skapa “synaptomys” — den första kompletta katalog av synapser i musens hjärna kom från ett mycket större projekt: connectomes.
Kort sagt, connectome — alla neurala anslutningar inom dig. Som läkaren säger Sebastian Seung, en connectome är en biologisk grund av vem du är, dina minnen, personlighet, dina tankar och resonemang. Fånga connectome — och en dag kommer forskare att kunna återhämta sig genom emulering av hela hjärnan.
Och ändå, connectome beskriver bara hur nervcellerna är funktionellt prata med varandra. Var i hjärnan är kodad fysiskt.
Här kommer i synapserna. Forskare har länge vetat att synapser överföra information mellan nervceller med hjälp av kemikalier och el. Det fanns också antydningar om att synapserna variera kraftigt beroende på de proteiner som innehåller, men denna distinktion är vanligtvis ignoreras. Fram tills nyligen har de flesta forskare tror att de faktiska beräkningarna görs i den neurala kroppen, är den uppsvällda delen av en neuron, som kommer från grenarna.
Hittills finns det inget sätt att se på morfologi och funktion av synapser i hela hjärnan, förklarar författarna. Oftast var vi fokuserade på en jämförelse av dessa viktiga knutpunkter i små områden.
“Karta synaptomys du kan använda för att förstå om den rumsliga fördelningen av synapser med arkitektur connectomes”, som forskarna säger.
Och om så är fallet, framtida emulatorer av hjärnan kommer att slutligen hitta ett fotfäste.
Karta synaptomys
Att bygga synaptomys möss, författarna utvecklat en plan som kallas SYNMAP. De började med genetiskt modifierade möss där de synapser som lyste i olika färger. Varje synaps tätt lager med olika proteiner, bland vilka PSD-95 och SAP102 — den mest kända av Herren. Var inte rädd för namn. Författarna lagt till den glödande proteiner som agerade som lyktor som lyser upp varje synaps i hjärnan.
I Allmänhet, en första, forskare har förändrat biologi musen, tvingar henne synapser till glöd under ett lysrör.
Då de omsorgsfullt skuren hjärnan i bitar, används mikroskop för bildbehandling synapser i olika regioner av hjärnan och har sammanställt foton tillsammans.
Bilden av synapser som påminner om det otränade ögat tätt Packade stjärniga karta — som den som filmade “Hubble” nyligen. Kategorisering av varje synaps går utöver förmågor (och tid) av någon människa, så forskarna använde sig av nya metoder för klassificering med hjälp av maskininlärning och har utvecklat en algoritm som analyserar detta data — mer än 10 terabyte — automatiskt, utan den behöver för tillsynen.
Fysisk connectome
För det första, forskare hit “uttrycksfulla system” lysande synapser. En märkt protein — PSD-95 — tycktes hänga ut i mer avlägsna delar av hjärnan, där flödet är högre kognitiv funktion. Även om de områden som överlappar varandra, den andra ett protein som har föredragit mer interna områden av hjärnan.
Vid närmare inspektion visade det sig att två protein som utgör olika uppsättningar av synapser, författarna förklaras. Varje område av hjärnan har en karakteristisk “signatur synaptomys”. Som fingeravtryck, som skiljer sig åt i form och storlek, olika områden i hjärnan verkar innehålla synapser, olika protein sammansättning, storlek och styrka.
Med hjälp av en speciellt utformad maskin lärande algoritm, forskarna klassificerat synapser 37 subtyper. Anmärkningsvärt, den region av hjärnan som är förknippade med högre resonera och tänka, innehöll också de mest skiftande befolkning av synapser, medan “område i hjärnan av reptiler”, var mer homogena i underhåll av synapser.
För att se om den mångfald av synapser i behandling av information, forskarna använt en dator simulering som visar hur synapser svara på konventionella elektriska kretsar i hippocampus regionen av hjärnan som är viktigt för inlärning och minne. Hippocampus är ett av de områden som uppvisar en påfallande mångfald i subtyper av synapser.
Viktigast av allt, varje typ av behandling, elektriska information som överförs i en unik karta synaptomys — ändra ingång förändring synaptoman.
Detta tyder på att hjärnan kan bearbeta flera elektriska information med hjälp av ett område i hjärnan, eftersom det handlar om olika synaptomys.
Forskare har funnit liknande resultat när vi spelade in den elektriska kretsar av musen hjärnan, försöker välja mellan de tre alternativen awards. Olika synaptomys lyser när valet var rätt eller fel. Som kartan över det inre tänkande, synaptomys drog en levande bild av vad de tror musen att göra val.
Varje beteende aktiverar en separat synaptomys. Var och en av synaptoman är en unik ögonblicksbild av tankeprocessen.
Omprogrammering synaptomys
Som datorkod, synaptoman, tydligen, är grunden för design och resultat av beslut eller tankar. Vad händer om vi ändrar denna kod?
Psykisk sjukdom har ofta genetiska orsaker som påverkar proteiner i synapsen. Med hjälp av möss som visade symptom som liknar schizofreni eller autism, forskare har gjort en karta över deras synaptol — och finns dramatiska förändringar i hur strukturerade och kombinera olika subtyper av synapser i hjärnan.
Till exempel, som svar på att den normala elektriska kretsar i hjärnan, vissa synaptic kartor manifesterades svagt, andra blev onormalt stark i den muterade möss. Mutationer kan ändra synaptomys och eventuellt leda till psykiatriska sjukdomar. Det är, vissa psykiska sjukdomar “preprogramming” synaptoman. Starkare eller bara ett nytt kort synaptomys kan vara orsaken till att patienter med schizofreni upplever vanföreställningar och hallucinationer.
Så du — det är din synaptoman?
Möjligt. Kärnan i du — minnen, tankar, verkar inpräntad i hur olika synapser som är aktiverade i svar till ingången. Som ett fingeravtryck, synaptomys kunde man läsa att dechiffrera vad du tänker. Men denna studie är bara början. Forskare har ännu inte analysera det komplicerade förhållandet mellan synapser och du.
“Detta kortet öppnar upp många nya områden för forskning som ska förändra vår förståelse av beteenden och sjukdomar i hjärnan,” säger Grant.
En detaljerad karta av hjärnans synapser lyfte slöjan på mysteriet av tänkande
Ilya Hel