Představte si mapu s každou hvězdou v galaxii. Mapa je tak podrobná, že ukazuje, jak každá hvězda vypadá, z čeho se skládá, s níž je jiná hvězda spojena podle velkých zákonů fyziky vesmíru. I když zatím nemáme takovou astronomickou mapu nebes, díky monumentální studii zveřejněné minulý týden v Neuronu máme podobnou mozkovou mapu.
Pokud byl každý neuron galaxií, jsou synapsemi malé struktury rozptýlené v tečkách podél hadovitých neuronů - to jsou hvězdy. Tým vědců z University of Edinburgh ve Velké Británii vytvořil první podrobnou mapu každé synapse v mozku myši.
Mapa mozku: klíč k puzzle myšlení
Vědci pomocí geneticky modifikovaných myší doslova rozsvítili každou synapsi pod fluorescenčním světlem po celém mozku, jako hvězdy na obloze. A stejně jako hvězdy se navzájem liší, vědci zjistili, že synapsie jsou velmi rozmanité, ale pozorují se vzory, které mohou podporovat paměť a myšlení.
Podrobné mapy ukázaly základní zákon mozkové činnosti. Pomocí strojového učení tým rozdělil zhruba jednu miliardu synapsí v mozku do 37 typů synapsí. Zde je bod: když sady neuronů dostávají elektrické informace, například při výběru mezi různými řešeními problému, jedinečné podtypy synapsí rozptýlené mezi různými neurony jednomyslně jiskří aktivitou.
Jinými slovy, synapse jsou různých typů. A každý typ může ovládat myšlenku, rozhodnutí nebo paměť.
Propagační video:
Není překvapením, že neurovědci na tuto práci reagovali velmi pozitivně.
„Páni,“poznamenal Ben Sanders z University of Minnesota.
Je to „úžasný článek katalogizující rozmanitost a distribuci podtypů synapse v mozku myši,“píše neurogenetik Kevin Mitchell. To „zdůrazňuje skutečnost, že synapse jsou klíčovými výpočetními prvky nervového systému“.
Připojte konektom
Zájem vědců o vytvoření „synaptomu“- prvního úplného katalogu synapsí v mozku myši - pramenil z mnohem většího projektu: konektomu.
Stručně řečeno, konektom jsou všechna nervová spojení ve vás. Jak říká Dr. Sebastian Sjung, konektomie je biologický základ toho, kým jste - vaše vzpomínky, vaše osobnost, vaše myšlenky a úvahy. Chyťte konektom a jednoho dne vás vědci dokážou rekonstruovat emulací celého mozku.
A přesto konektom popisuje, jak neurony funkčně spolu komunikují. Kde je v mozku fyzicky kódován.
To je místo, kde začínají hrát synapse. Neurovědci již dlouho vědí, že synapsí přenášejí informace mezi neurony pomocí chemikálií a elektřiny. Rovněž existují náznaky, že se synapsy velmi liší v závislosti na proteinech, které obsahují, ale toto rozlišení se obvykle ignoruje. Až donedávna většina vědců věřila, že v nervovém těle proběhly skutečné výpočty - baňatá část neuronu, ze které se větve objevují.
Až dosud nebyl způsob, jak se podívat na morfologii a funkci synapsí v mozku, vysvětlují autoři. Obvykle jsme se zaměřili na mapování těchto důležitých spojovacích bodů v malých oblastech.
A pokud ano, budoucí mozkové emulátory konečně najdou oporu.
Synaptomická mapa
Aby bylo možné vytvořit myší synaptom, navrhli autoři plán nazvaný SYNMAP. Začali s geneticky modifikovanými myšmi, jejichž synapse zářil různými barvami. Každá synapse je hustě nabita různými proteiny, mezi nimiž jsou nejznámější pánové PSD-95 a SAP102. Nenechte se zastrašit jmény. Autoři k nim přidali zářící proteiny, které fungovaly jako baterky a osvětlovaly každou synapse v mozku.
Obecně vědci nejprve změnili biologii myši tak, že její synapsy zářily pod zářivkovým světlem.
Poté pečlivě nakrájeli mozek na kousky, pomocí mikroskopu fotografovali synapsí v různých oblastech mozku a dali je dohromady.
Synaptický obraz připomíná netrénované oko pevně nabité hvězdné mapy - jako je ta, kterou Hubble nedávno natočil. Kategorizace každé synapse přesahuje schopnost (a čas) jakékoli osoby, takže vědci použili nové klasifikační metody využívající strojové učení a vyvinuli algoritmus, který automaticky analyzuje tato data - více než 10 terabajtů - bez potřeby dohledu.
Fyzický konektom
Zpočátku byli vědci zasaženi „expresivními schématy“zářících synapsí. Zdálo se, že jeden značený protein - PSD-95 visí ve vzdálenějších částech mozku, kde se odehrávají vyšší kognitivní funkce. Přestože se tyto oblasti překrývají, další zářící protein má přednost více z vnitřních mozkových oblastí.
Při bližším zkoumání se ukázalo, že dva světelné proteiny představují různé sady synapsí, vysvětlili autoři. Každá oblast mozku má charakteristický „synaptický podpis“. Podobně jako otisky prstů, které se liší tvarem a velikostí, se zdá, že různé oblasti mozku obsahují synapse, které se liší složením bílkovin, velikostí a počtem.
Vědci pomocí speciálně navrženého algoritmu strojového učení klasifikovali synapse do 37 podtypů. Je pozoruhodné, že oblasti mozku spojené s vyššími schopnostmi uvažování a myšlení také obsahovaly nejrozmanitější populaci synapsí, zatímco „oblasti plazů mozku“byly homogennější v synaptickém obsahu.
Aby vědci zjistili, zda rozmanitost synapsí pomáhá při zpracování informací, použili počítačové simulace, aby ukázali, jak synapse reagují na normální elektrické obvody v hippocampu, což je oblast mozku důležitá pro učení a paměť. Hippocampus je jednou z oblastí, které vykazují výraznou rozmanitost v podtypech synapsí.
Důležité je, že každý typ elektrického zpracování informací je přenášen do jedinečné mapy synaptomu - změna vstupu, synaptom se změní.
To naznačuje, že mozek může zpracovávat více elektrických informací pomocí jedné oblasti mozku, protože se jedná o různé synaptózy.
Vědci našli podobné výsledky, když zaznamenali elektrické obvody mozku myší a snažili se vybrat mezi třemi možnostmi odměny. Když byla volba správná nebo nesprávná, byly vyhozeny různé synaptomy. Stejně jako mapa vnitřního myšlení, synaptomes namaloval živý obrázek toho, co myš při rozhodování myslela.
Každé chování aktivuje samostatný synaptom. Každý synaptom je jedinečný obsazení myšlenkového procesu.
Přeprogramování synaptomu
Podobně jako počítačový kód se zdá, že synaptom je základem výpočetního výsledku - rozhodnutí nebo myšlenku. Co když změním tento kód?
Psychiatrická onemocnění mají často genetické příčiny, které ovlivňují proteiny v synapse. Pomocí myší, které vykazovaly příznaky podobné schizofrénii nebo autismu, vědci zmapovali své synapsie - a zjistili dramatické změny ve struktuře a vzájemném spojení různých podtypů synapsí v mozku.
Například v reakci na normální elektrické obvody v mozku byly některé synaptické mapy slabé, zatímco jiné se staly abnormálně silnými u mutantních myší. Mutace mohou změnit synaptom a potenciálně vést k psychiatrickým poruchám. To znamená, že některé psychiatrické choroby „přeprogramují“synaptom. Silnější nebo jednoduše nové synaptické mapy mohou být důvodem, proč schizofrenici trpí bludy a halucinacemi.
Takže vy jste váš synaptom?
Možná. Podstata vás - vzpomínky, myšlenky - se zdá být vtisknuta do toho, jak jsou různé synapse aktivovány v reakci na vstup. Jako otisk prstu lze synaptom přečíst, aby se rozluštilo, co si myslíte. Tento výzkum je však teprve začátek. Neurovědci zatím musí analyzovat složitá propojení mezi synapses a vámi.
Ilya Khel