Įsivaizduokite žemėlapį su kiekviena galaktikos žvaigžde. Žemėlapis yra toks detalus, kad parodo, kaip atrodo kiekviena žvaigždė, iš ko ji susideda, su kuria kita žvaigžde yra susiję dideli kosmoso fizikos dėsniai. Nors dar neturime tokio astronominio dangų žemėlapio, dėka praėjusią savaitę Neurone paskelbto paminklinio tyrimo, turime panašų smegenų žemėlapį.
Jei kiekvienas neuronas būtų galaktika, sinapsės yra mažos struktūros, išsklaidytos taškais išilgai serpentino neuronų - tai žvaigždės. Mokslininkų komanda iš JK Edinburgo universiteto sukūrė pirmąjį išsamų kiekvienos sinapsės pelės smegenyse žemėlapį.
- „Salik.biz“
Smegenų žemėlapis: raktas į mąstymo galvosūkį
Naudodami genetiškai modifikuotas peles, mokslininkai tiesiogine prasme kiekvieną sinapsę užsidegė fluorescencine šviesa per visas smegenis, kaip žvaigždės danguje. Ir kaip žvaigždės skiriasi viena nuo kitos, mokslininkai nustatė, kad sinapsės yra labai įvairios, tačiau stebimi modeliai, galintys palaikyti atmintį ir mąstymą.
Išsamūs žemėlapiai parodė pagrindinį smegenų veiklos dėsnį. Pasinaudodama kompiuteriniu mokymu, komanda suskirstė maždaug vieną milijardą sinapsių smegenyse į 37 sinapsių rūšis. Štai taškas: kai neuronų rinkiniai gauna elektrinę informaciją, pavyzdžiui, pasirinkdami skirtingus problemos sprendimus, unikalūs sinapsių potipiai, išsibarstę tarp skirtingų neuronų, vienbalsiai suaktyvina aktyvumą.
Kitaip tariant, sinapsės yra skirtingų tipų. Kiekvienas tipas gali valdyti mintį, sprendimą ar atmintį.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Nenuostabu, kad neurologai į darbą reagavo labai teigiamai.
„Oho“, - komentavo Benas Sandersas iš Minesotos universiteto.
Tai yra „nuostabus straipsnis, kuriame katalogizuojami sinapsių potipių įvairovė ir pasiskirstymas pelės smegenyse“, - rašo neurogenetikas Kevinas Mitchellas. Tai „pabrėžia faktą, kad sinapsės yra svarbiausi nervų sistemos skaičiavimo elementai“.
Prijunkite „connectome“
Mokslininkų susidomėjimas sukurti „sinaptomą“- pirmąjį išsamų sinapsių katalogą pelės smegenyse - kilo dėl daug didesnio projekto: „connectome“.
Trumpai tariant, „connectome“yra visi jūsų viduje esantys nerviniai ryšiai. Kaip sako daktaras Sebastianas Sjungas, ryšys yra biologinis to, kas jūs esate, pagrindas - jūsų prisiminimai, asmenybė, mintys ir samprotavimai. Sugaukite jungtį, o vieną dieną mokslininkai galės jus rekonstruoti, mėgdžiodami visas smegenis.
Ir vis dėlto, connectome tik aprašoma, kaip neuronai funkciškai kalbasi vienas su kitu. Kur smegenyse tai fiziškai užkoduota.
Čia žaidžia sinapsės. Neuromokslininkai jau seniai žinojo, kad sinapsės perduoda informaciją tarp neuronų, naudodamos chemikalus ir elektrą. Taip pat buvo užuominų, kad sinapsės labai skiriasi priklausomai nuo juose esančių baltymų, tačiau paprastai šio skirtumo buvo nepaisoma. Dar visai neseniai dauguma mokslininkų tikėjo, kad tikrieji skaičiavimai vyko nerviniame kūne - svogūninėje neurono dalyje, iš kurios kyla šakos.
Iki šiol nebuvo galimybės pažvelgti į sinapsių morfologiją ir funkcijas smegenyse, aiškina autoriai. Mes paprastai sutelkėme dėmesį į šių svarbių jungčių taškų žemėlapius mažose vietose.
Ir jei taip, būsimi smegenų emuliatoriai pagaliau suras koją.
Synaptome žemėlapis
Norėdami sukurti pelės sinaptomą, autoriai sukūrė planą, pavadintą SYNMAP. Jie pradėjo nuo genetiškai modifikuotų pelių, kurių sinapsės švytėjo skirtingomis spalvomis. Kiekviena sinapsė yra tankiai supakuota su skirtingais baltymais, iš kurių garsiausi ponai yra PSD-95 ir SAP102. Negąsdinkite vardais. Autoriai į juos pridėjo žėrinčius baltymus, kurie veikė kaip žibintuvėliai, apšviesdami kiekvieną smegenų sinapsę.
Apskritai, mokslininkai pirmiausia pakeitė pelės biologiją, priversdami jos sinapses švytėti fluorescencinėje šviesoje.
Tada jie kruopščiai pjaustė smegenis į dalis, mikroskopu fotografavo sinapses skirtinguose smegenų regionuose ir sudėjo paveikslėlius.
Sinapsinis vaizdas neįgudusiai akiai primena sandariai supakuotą žvaigždžių žemėlapį - tokį, kokį neseniai filmavo Hablas. Kiekvienos sinapsės suklasifikavimas peržengia bet kurio asmens galimybes (ir laiką), todėl mokslininkai panaudojo naujus klasifikavimo metodus, naudodamiesi mašininiu mokymu, ir sukūrė algoritmą, kuris šiuos duomenis - daugiau nei 10 terabaitų - analizuoja automatiškai, nereikalaujant jokios priežiūros.
Fizinė jungtis
Iš pradžių mokslininkus sukrėtė spindinčių sinapsių „išraiškingos schemos“. Atrodė, kad vienas pažymėtas baltymas - PSD-95 - pakabinamas į atokiausias smegenų dalis, kur vyksta aukštesnės pažintinės funkcijos. Nors regionai sutampa, kitas žėrintis baltymas labiau linkęs į vidines smegenų sritis.
Atidžiau apžiūrėjus paaiškėjo, kad du švytintys baltymai žymi skirtingus sinapsių rinkinius, aiškino autoriai. Kiekviena smegenų sritis turi būdingą „sinapsinį parašą“. Panašiai kaip pirštų atspaudai, kurie skiriasi forma ir dydžiu, skirtinguose smegenų regionuose yra sinapsių, kurios skiriasi baltymų sudėtimi, dydžiu ir skaičiumi.
Naudodami specialiai sukurtą mašininio mokymosi algoritmą, mokslininkai sinapses suskirstė į 37 potipius. Pažymėtina, kad smegenų regionai, susiję su aukštesniais samprotavimo ir mąstymo gebėjimais, taip pat turėjo pačią įvairiausią sinapsių populiaciją, tuo tarpu „roplių smegenų regionai“sinapsiniu turiniu buvo vienodesni.
Norėdami sužinoti, ar sinapsių įvairovė padeda apdoroti informaciją, mokslininkai naudojo kompiuterinį modeliavimą, kad parodytų, kaip sinapsės reaguoja į normalias elektros grandines hipokampo srityje - tai smegenų sritis, svarbi mokymuisi ir atminčiai. Hipokampas yra viena iš sričių, kuriai būdinga ryški sinapsių potipių įvairovė.
Svarbu tai, kad kiekvienas elektrinės informacijos apdorojimo tipas yra perduodamas į unikalų sinaptomų žemėlapį - pakeiskite įvestį, sinaptoma pasikeis.
Tai rodo, kad smegenys gali apdoroti daug elektrinės informacijos naudodamos vieną smegenų sritį, nes dalyvauja skirtingos sinaptozės.
Panašius rezultatus mokslininkai rado įrašydami pelių smegenų elektros grandines, bandančias pasirinkti tarp trijų atlygio variantų. Įvairios sinaptomos buvo paleistos, kai pasirinkimas buvo teisingas ar neteisingas. Kaip ir vidinio mąstymo žemėlapis, sinaptomos nutapė ryškų vaizdą, ką galvojo pelė pasirinkdama.
Kiekvienas elgesys suaktyvina atskirą sinaptomą. Kiekviena sinaptoma yra unikali minties proceso dalis.
Perprogramuoti sinaptomą
Kaip ir kompiuterinis kodas, atrodo, kad sinaptoma yra skaičiavimo rezultatas - sprendimas ar mintis. Ką daryti, jei pakeisiu šį kodą?
Psichinės ligos dažnai turi genetinių priežasčių, turinčių įtakos sinapsės baltymams. Naudodami peles, kurioms būdingi simptomai buvo panašūs į šizofreniją ar autizmą, mokslininkai apžvelgė savo sinapses - ir nustatė dramatiškus pokyčius, kaip skirtingi smegenų sinapsių potipiai yra struktūriškai susieti ir sujungti.
Pavyzdžiui, reaguodami į normalias elektrines grandines smegenyse, kai kurie sinapsiniai žemėlapiai buvo silpni, o kiti - nenormaliai stiprūs pelėms su mutantais. Mutacijos gali pakeisti sinaptomą ir potencialiai sukelti psichinius sutrikimus. T. y., Kai kurios psichinės ligos „perprogramuoja“sinaptomą. Stipresni ar paprasčiausiai nauji sinapsiniai žemėlapiai gali būti šizofrenija sergančių pacientų kliedesių ir haliucinacijų priežastis.
Taigi jūs esate jūsų sinaptoma?
Gal būt. Tavo esmė - prisiminimai, mintys - atrodo, kad įspausta, kaip reaguojant į įvestį suaktyvinamos skirtingos sinapsės. Kaip pirštų atspaudą, sinaptomą buvo galima perskaityti, kad iššifruotumėte, ką galvojate. Tačiau šis tyrimas yra tik pradžia. Neuromokslininkai dar turi išanalizuoti sudėtingus sinapsių ir jūsų ryšius.
Ilja Khel