Forestil dig et kort med hver stjerne i galaksen. Kort så detaljeret, at det ser ud som om hver en stjerne er, hvad den består af, hvad andre star er forbundet med store fysiske love i kosmos. Selv om vi endnu ikke har sådan en astronomisk kort over himlen, takket være en monumental undersøgelse offentliggjort i sidste uge i Neuron, har vi et tilsvarende kort af hjernen.
Hvis hver neuron var en galakse, synapser er små strukturer, point rassypnye sammen slange-lignende udvidelser af neuroner — stjerner. En gruppe forskere fra University of Edinburgh i STORBRITANNIEN bygget de første detaljerede kort over hver synapse i musens hjerne.
Et kort over hjernen: nøglen til gåden om at tænke
Ved hjælp af genetisk modificerede mus, forskerne bogstaveligt talt kørte hver synapse til at lyse op under en fluorescerende lys omkring hjernen som stjernerne på himlen. Og lige som stjerner, der adskiller sig fra hinanden, har forskerne opdaget, at synapser er meget forskellige, men observerede mønstre, der kan understøtte hukommelse og tænkning.
“Den menneskelige hjerne har flere synapser end stjernerne i galaksen. Hjernen er den mest komplekse objekt, der er kendt for os, og forstå dens forbindelser på dette niveau vil være et vigtigt skridt fremad i åbenbaringen af hans hemmeligheder,” siger hovedforfatter Dr. Seth Tilskud fra Center for clinical brain science.
Detaljerede kort, der viste en grundlæggende lov i hjernens aktivitet. Med hjælp af machine learning et team af forskere fordelt omkring en milliard synapser i hele hjernen, i 37 kategorier efter type. Her er nøglen: når sæt af neuroner modtager elektrisk oplysninger, for eksempel, vælge mellem forskellige løsninger på det problem, unikke undertyper af synapser spredt mellem forskellige neuroner, som blev enstemmigt gnister aktivitet.
Med andre ord, de synapser er af forskellige typer. Og hver type kan styre den tanke, beslutning eller hukommelse.
Det er ikke overraskende, at neuroforskere har svaret, at de arbejder meget positivt.
“Wow,” sagde Ben Sanders fra University of Minnesota.
Denne “fantastiske artikel, catalogservlet mangfoldighed og distribution af undertyper af synapser i hele hjernen på mus,” skriver neurogenetic Kevin Mitchell. Det “understreger det faktum, at synapser er de vigtigste beregningsmæssige elementer af nervesystemet.”
Tilslutning connectomes
Interesse for forskere i at skabe “synaptomys” — den første komplette katalog af synapser i musens hjerne kom fra et meget større projekt: connectomes.
Kort sagt, connectome — alle neurale forbindelser i dig. Som lægen siger Sebastian Seung, en connectome er et biologisk grundlag af hvem du er — dine erindringer, personlighed, dine tanker og ræsonnementer. Fange connectome — og en dag vil forskere være i stand til at inddrive gennem emulering af et hele hjernen.
Og alligevel, connectome beskriver kun, hvordan neuroner er funktionelt taler til hinanden på. Hvor i hjernen er kodet fysisk.
Her kommer i synapser. Neuroforskere har længe vidst, at synapser til at overføre oplysninger mellem neuroner ved hjælp af kemikalier og elektricitet. Der var også antydninger af, at synapser variere meget, afhængigt af de proteiner, der indeholder, men denne forskel er ofte ignoreret. Indtil for nylig, er de fleste forskere troede, at de faktiske beregninger er udført i neurale krop, løg del af en neuron, som kommer grenene.
Indtil nu var der ingen måde at se på morfologi og funktion af synapser i hele hjernen, forklarer forfatterne. Normalt var vi fokuseret på en sammenligning af disse vigtige forbindelse point i de små områder.
“Kort synaptomys du kan bruge for at forstå, om den rumlige fordeling af synapser med arkitektur connectomes”, siger forskere.
Og hvis det er tilfældet, fremtidige emulatorer af hjernen vil endelig finde fodfæste.
Kort synaptomys
At bygge synaptomys mus, forfatterne udviklet en plan, kaldet SYNMAP. De startede med genetisk modificerede mus, hvor de synapser glødede forskellige farver. Hver synapse tæt fyldt med forskellige proteiner, blandt hvilke PSD-95 og SAP102 — den mest berømte af Herren. Vær ikke bange for navne. Forfatterne tilføjet de lysende proteiner, der fungerede som lanterner, der oplyser hvert synapser i hjernen.
Generelt, en første, forskere har ændret biologi af musen, tvinger hende synapser til at gløde under en fluorescerende lys.
Så de møjsommeligt skåret hjernen i stykker, anvendes mikroskop for imaging synapser i forskellige områder af hjernen og har samlet billeder sammen.
Billedet af synapser minder om det utrænede øje tætpakkede stjernede kort — ligesom en, der filmede “Hubble” for nylig. Kategorisering af hver synapse går ud over de evner (og tid), af ethvert menneske, så de forskere, der anvendes nye metoder til klassificering ved hjælp af machine learning og udviklet en algoritme, der analyserer disse data — mere end 10 terabytes — automatisk, uden behov for tilsyn.
Fysisk connectome
For det første, forskere hit “ekspressiv ordning” skinnende synapser. En markeret protein — PSD-95 — syntes at hænge ud i de mere fjerntliggende dele af hjernen, hvor strømmen er højere kognitive funktion. Selv om de områder, der overlapper hinanden, den anden en lysende protein har foretrukket mere indre områder af hjernen.
Ved nærmere inspektion, viste det sig, at to lysende protein udgør forskellige sæt af synapser, forklarede forfatterne. Hvert område af hjernen har en karakteristisk signatur synaptomys”. Ligesom fingeraftryk, som afviger i form og størrelse, forskellige områder i hjernen ser ud til at indeholde synapser, der er forskellige i protein sammensætning, størrelse og styrke.
Ved hjælp af en specielt designet machine learning algoritme, at de forskere, der er klassificeret synapser af 37 undertyper. Det er bemærkelsesværdigt, at den region af hjernen, der er forbundet med højere ræsonnement, evner og tænker, også indeholdt de mest forskelligartede befolkning af synapser, mens “region af hjernen af krybdyr”, var mere homogene i vedligeholdelse af synapser.
For at se, om den mangfoldighed af synapser i at behandle information, forskerne brugt et computer-simulation, der viser, hvordan synapser reagere på konventionelle elektriske kredsløb i hippocampus region af hjernen, der er vigtige for indlæring og hukommelse. Hippocampus er et af de områder, der viser en slående mangfoldighed i undertyper af synapser.
Vigtigere er det, den enkelte type behandling i de elektriske oplysninger, der overføres i en unik kort synaptomys — rediger de input, ændre synaptoman.
Dette tyder på, at hjernen kan behandle flere elektriske oplysninger ved hjælp af en område af hjernen, fordi det indebærer forskellige synaptomys.
Forskerne har fundet lignende resultater, når vi indspillede den elektriske kredsløb med musen hjernen, der forsøger at vælge mellem de tre muligheder awards. Forskellige synaptomys lyser, når valg var rigtige eller forkerte. Som det kort over den indre tænkning, synaptomys trak et levende billede af, hvad de tænker musen for at gøre den valg.
Hver adfærd aktiverer en separat synaptomys. Hver af synaptoman er et unikt øjebliksbillede af tankeprocessen.
Omprogrammering synaptomys
Som computer-kode, synaptoman, tilsyneladende, er grundlaget for design og resultatet af de beslutninger, eller tanker. Hvad nu, hvis vi ændrer denne kode?
Psykiatrisk sygdom ofte har genetiske årsager, som påvirker proteiner i synapsen. Ved hjælp af mus, der viste symptomer, der ligner skizofreni eller autisme, forskere har lavet et kort over deres synaptol — og fandt dramatiske ændringer i, hvor struktureret og kan kombinere forskellige undertyper af synapser i hjernen.
For eksempel, i svar til de normale elektriske kredsløb i hjernen, nogle synaptic kort blev manifesteret svagt, andre blev usædvanlig stærk i mutant mus. Mutationer kan ændre synaptomys og potentielt kan føre til psykiske lidelser. Det er nogle psykiatrisk sygdom “preprogramming” synaptoman. Stærkere eller bare et nyt kort synaptomys kan være årsagen til, at patienter med skizofreni oplever vrangforestillinger og hallucinationer.
Så dig — det er din synaptoman?
Det er muligt. Essensen af dig — erindringer, tanker — synes at være præget i, hvordan forskellige synapser er aktiveret som svar på input. Som et fingeraftryk, synaptomys kunne læse at dechifrere, hvad du tænker. Men denne undersøgelse er kun begyndelsen. Neuroforskere har endnu til at analysere komplekse forhold mellem synapser og dig.
“Dette kort åbner op for mange nye områder for forskning, som skal omdanne vores forståelse af adfærd og sygdomme i hjernen,” siger Tilskud.
Et detaljeret kort over hjernens synapser løftet sløret for mysteriet om tænkning
Ilya Hel