Predstavte si mapu s každou hviezdou v galaxii. Mapa je tak podrobná, že ukazuje, ako vyzerá každá hviezda, z čoho pozostáva, s ktorou je druhá hviezda spojená veľkými zákonmi fyziky vesmíru. Aj keď zatiaľ nemáme takú astronomickú mapu nebies, vďaka monumentálnej štúdii uverejnenej minulý týždeň v Neurone, máme podobnú mozgovú mapu.
Keby bol každý neurón galaxiou, synapsie sú malé štruktúry rozptýlené v bodkách pozdĺž hadovitých neurónov - to sú hviezdy. Tím vedcov z University of Edinburgh vo Veľkej Británii vytvoril prvú podrobnú mapu každej synapsie v mozgu myši.
Mapa mozgu: kľúč k zápletke myslenia
Vedci pomocou geneticky modifikovaných myší doslova zosvetľovali každú synapsiu pod žiarivkovým svetlom po celom mozgu, napríklad hviezdy na oblohe. A rovnako ako sa hviezdy navzájom líšia, vedci zistili, že synapsie sú veľmi rozmanité, ale pozorujú sa vzorce, ktoré môžu podporovať pamäť a myslenie.
Podrobné mapy ukazujú základné zákony o mozgovej aktivite. Pomocou strojového učenia tím rozdelil zhruba jednu miliardu synapsií v mozgu na 37 druhov synapsií. Tu je bod: keď sady neurónov dostávajú elektrické informácie, napríklad pri výbere medzi rôznymi riešeniami problému, jedinečné podtypy synapsií rozptýlené medzi rôznymi neurónmi jednomyseľne žiaria aktivitou.
Inými slovami, synapsie sú rôznych typov. A každý typ môže ovládať myšlienku, rozhodnutie alebo pamäť.
Propagačné video:
Nie je prekvapením, že neurovedci na túto prácu reagovali veľmi pozitívne.
„Páni,“poznamenal Ben Sanders z University of Minnesota.
Je to „úžasný článok katalogizujúci rozmanitosť a distribúciu podtypov synapsií v mozgu myši,“píše neurogenetik Kevin Mitchell. To „zdôrazňuje skutočnosť, že synapsie sú kľúčovými výpočtovými prvkami nervového systému“.
Pripojte konektor
Záujem vedcov o vytvorenie „synaptómu“- prvého úplného katalógu synapsií v mozgu myši - pramenil z oveľa väčšieho projektu: konektómu.
Stručne povedané, konektóm sú všetky nervové spojenia vo vás. Ako hovorí Dr. Sebastian Sjung, konektóm je biologický základ toho, kým ste - vaše spomienky, vaša osobnosť, vaše myšlienky a úvahy. Chyťte konektóm a vedci vás jedného dňa dokážu zrekonštruovať emuláciou celého mozgu.
A predsa konektóm iba opisuje, ako neuróny funkčne spolu komunikujú. Kde je v mozgu to fyzicky kódované.
Tu prichádzajú do úvahy synapsie. Neurovedci už dávno vedia, že synapsie prenášajú informácie medzi neurónmi pomocou chemikálií a elektriny. Existujú tiež náznaky, že sa synapsie značne líšia v závislosti od proteínov, ktoré obsahujú, ale toto rozlíšenie sa zvyčajne ignorovalo. Až donedávna väčšina vedcov verila, že v nervovom tele sa uskutočnili skutočné výpočty - baňatá časť neurónu, z ktorej sa vetvy objavujú.
Autori vysvetlili, že doteraz neexistoval spôsob, ako sa pozerať na morfológiu a funkciu synapsií v mozgu. Zvyčajne sme sa zamerali na mapovanie týchto dôležitých spojovacích bodov v malých oblastiach.
Ak áno, budúci mozgový emulátor konečne nájde oporu.
Synaptómová mapa
Na zostavenie synaptómu myši navrhli autori plán s názvom SYNMAP. Začali s geneticky modifikovanými myšami, ktorých synapsie žiarili rôznymi farbami. Každá synapsia je husto plná rôznych proteínov, medzi ktorými sú PSD-95 a SAP102 najslávnejšie páni. Nenechajte sa zastrašiť menami. Autori k nim pridali žiariace proteíny, ktoré pôsobili ako baterky a osvetľovali každú synapsiu v mozgu.
Vedci vo všeobecnosti najprv zmenili biológiu myši tak, že jej synapsie žiarili pod žiarivkovým svetlom.
Potom starostlivo nakrájali mozog na kúsky, použili mikroskop na snímanie synapsií v rôznych oblastiach mozgu a tieto obrázky dali dokopy.
Synaptický obraz pripomína netrénované oko pevne zabalenej hviezdnej mapy - ako je tá, ktorú Hubble nedávno natáčal. Kategorizácia každej synapsie presahuje možnosti (a čas) akejkoľvek osoby, takže vedci použili nové klasifikačné metódy využívajúce strojové učenie a vyvinuli algoritmus, ktorý automaticky analyzuje tieto údaje - viac ako 10 terabajtov - bez potreby dohľadu.
Fyzikálny konektóm
Vedci boli spočiatku zasiahnutí „expresívnymi schémami“žiarivých synapsií. Zdá sa, že jeden značený proteín - PSD-95 - visí vo vzdialenejších častiach mozgu, kde sa vyskytujú vyššie kognitívne funkcie. Aj keď sa tieto oblasti prekrývajú, iný žiariaci proteín uprednostnil viac vnútorných oblastí mozgu.
Pri bližšom skúmaní sa ukázalo, že dva žiariace proteíny predstavujú rôzne sady synapsií, vysvetlili autori. Každá oblasť mozgu má charakteristický „synaptický podpis“. Podobne ako odtlačky prstov, ktoré sa líšia tvarom a veľkosťou, sa zdá, že rôzne oblasti mozgu obsahujú synapsie, ktoré sa líšia zložením, veľkosťou a počtom bielkovín.
Vedci pomocou špeciálne navrhnutého algoritmu strojového učenia klasifikovali synapsie do 37 podtypov. Je pozoruhodné, že oblasti mozgu spojené s vyššími schopnosťami uvažovania a myslenia obsahovali aj najrôznorodejšiu populáciu synapsií, zatiaľ čo „oblasti plazov mozgu“boli homogénnejšie v synaptickom obsahu.
Aby vedci zistili, či rozmanitosť synapsií pomáha pri spracovaní informácií, vedci použili počítačové simulácie, aby ukázali, ako synapsie reagujú na normálne elektrické obvody v hippocampe, čo je oblasť mozgu dôležitá pre učenie a pamäť. Hippocampus je jednou z oblastí, ktoré vykazujú výraznú diverzitu v subtypoch synapsie.
Dôležité je, že každý typ spracovania elektrických informácií sa vysiela do jedinečnej mapy synaptómu - zmena vstupu, synaptóm sa zmení.
To naznačuje, že mozog dokáže spracovať viacero elektrických informácií pomocou jednej oblasti mozgu, pretože sa jedná o rôzne synaptózy.
Vedci našli podobné výsledky, keď zaznamenali elektrické obvody mozgu myší a snažili sa vybrať medzi tromi možnosťami odmeňovania. Keď bol výber správny alebo nesprávny, boli vyhodené rôzne synaptómy. Podobne ako mapa vnútorného myslenia, synaptomes namaľoval živý obraz toho, čo si myš pri výbere myslela.
Každé správanie aktivuje samostatný synaptóm. Každý synaptóm je jedinečnou súčasťou myšlienkového procesu.
Preprogramovanie synaptómu
Podobne ako počítačový kód sa zdá, že synaptóm je základom výpočtového výsledku - rozhodnutia alebo myšlienky. Čo ak zmením tento kód?
Psychické choroby majú často genetické príčiny, ktoré ovplyvňujú bielkoviny v synapsii. Vedci pomocou myší, ktoré vykazovali príznaky podobné schizofrénii alebo autizmu, zmapovali svoje synapsie - a zistili dramatické zmeny v štruktúre a prepojení rôznych podtypov synapsií v mozgu.
Napríklad v reakcii na normálne elektrické obvody v mozgu boli niektoré synaptické mapy slabé, zatiaľ čo iné sa stali u abnormálnych myší abnormálne silné. Mutácie môžu zmeniť synaptóm a potenciálne viesť k psychiatrickým poruchám. To znamená, že niektoré psychické choroby „preprogramujú“synaptóm. Silnejšie alebo jednoducho nové synaptické mapy môžu byť dôvodom, prečo schizofrénni pacienti zažívajú bludy a halucinácie.
Takže si synaptóm?
Možno. Zdá sa, že podstata vás - spomienky, myšlienky - je vtlačená do spôsobu aktivácie rôznych synapsií v reakcii na vstup. Podobne ako odtlačok prsta, synaptóm sa dá prečítať, aby rozlúštil, čo si myslíte. Tento výskum je však len začiatkom. Neurovedci ešte musia analyzovať zložité súvislosti medzi synapsiami a vami.
Ilja Khel