Forestil dig et kort med hver stjerne i galaksen. Kortet er så detaljeret, at det viser, hvordan hver stjerne ser ud, hvad den består af, med hvilken anden stjerne er forbundet med de store fysiske love i rummet. Selvom vi endnu ikke har et sådant astronomisk kort over himlen, har vi takket være en monumental undersøgelse, der blev offentliggjort i sidste uge i Neuron, et lignende hjernekort.
Hvis hver neuron var en galakse, er synapser små strukturer spredt i prikker langs serpentine neuroner - dette er stjerner. Et team af forskere fra University of Edinburgh i Storbritannien har bygget det første detaljerede kort over hver synapse i musens hjerne.
Hjernekort: nøglen til tankegangspuslet
Ved hjælp af genetisk modificerede mus fik forskerne bogstaveligt talt hver synapse til at lyse op under fluorescerende lys over hele hjernen, som stjerner på himlen. Og ligesom stjerner adskiller sig fra hinanden, har forskere fundet, at synapser er meget forskellige, men der er mønstre, der kan understøtte hukommelse og tænkning.
Detaljerede kort viste den grundlæggende lov om hjerneaktivitet. Ved hjælp af maskinlæring har teamet kategoriseret de omkring en milliard synapser i hele hjernen i 37 typer synapser. Her er pointen: når sæt neuroner modtager elektrisk information, for eksempel ved at vælge mellem forskellige løsninger på et problem, gnister de unikke undertyper af synapser spredt blandt de forskellige neuroner enstemmigt med aktivitet.
Med andre ord er synapser af forskellige typer. Og hver type kan kontrollere en tanke, beslutning eller hukommelse.
Salgsfremmende video:
Nej, overraskende, har neurovidenskabsmænd reageret meget positivt på arbejdet.
"Wow," kommenterede Ben Sanders fra University of Minnesota.
Det er "en fantastisk artikel, der katalogiserer mangfoldigheden og fordelingen af synapseundertyper i musens hjerne," skriver neurogenetiker Kevin Mitchell. Dette "understreger det faktum, at synapser er centrale beregningselementer i nervesystemet."
Tilslut forbindelsesleddet
Forskernes interesse i at skabe et "synaptom" - det første komplette katalog over synapser i musehjernen - stammede fra et meget større projekt: connectome.
Kort sagt, en connectome er alle de neurale forbindelser inden i dig. Som Dr. Sebastian Sjung siger, forbindelsesledet er det biologiske grundlag for, hvem du er - dine minder, din personlighed, dine tanker og ræsonnement. Fang en connectome, og en dag vil forskere kunne rekonstruere dig ved at efterligne en hel hjerne.
Og alligevel beskriver connectome kun, hvordan neuroner funktionelt taler med hinanden. Hvor i hjernen er den fysisk kodet.
Det er her synapser kommer i spil. Neurovidenskabsmænd har længe vidst, at synapser transmitterer information mellem neuroner ved hjælp af kemikalier og elektricitet. Der har også været antydninger om, at synapser adskiller sig meget afhængigt af de proteiner, de indeholder, men denne sondring er normalt ignoreret. Indtil for nylig troede de fleste forskere, at reelle beregninger fandt sted i den neurale krop - den bulbøse del af neuronen, hvorfra grenene kommer ud.
Indtil nu var der ingen måde at se på morfologien og funktionen af synapser i hele hjernen, forklarer forfatterne. Vi har normalt fokuseret på at kortlægge disse vigtige forbindelsespunkter i små områder.
Og hvis ja, vil fremtidige hjerneemulatorer endelig finde fodfæste.
Synaptome kort
For at opbygge et musesynaptom, udtænkte forfatterne en plan kaldet SYNMAP. De startede med genetisk modificerede mus, hvis synapser glødede med forskellige farver. Hver synapse er tætpakket med forskellige proteiner, blandt hvilke PSD-95 og SAP102 er de mest berømte herrer. Bliv ikke truet af navnene. Forfatterne tilføjede glødende proteiner til dem, der fungerede som lommelygter, der oplyste hver synapse i hjernen.
Generelt ændrede forskere først musens biologi ved at få dens synapser til at glød under lysstofrør.
Derefter skar de nøje skåret hjernen i stykker, brugte et mikroskop til at tage billeder af synapser i forskellige områder af hjernen og sætte billederne sammen.
Det synaptiske billede minder det utrente øje om et tæt pakket stjernekort - som det, som Hubble for nylig filmet. Kategoriseringen af hver synapse går ud over enhver persons evne (og tid), så forskere har brugt nye klassificeringsmetoder ved hjælp af maskinlæring og udviklet en algoritme, der analyserer disse data - mere end 10 terabyte - automatisk uden behov for tilsyn.
Fysisk connectoma
Først blev videnskabsmænd ramt af de "udtryksfulde ordninger" af de skinnende synapser. Et mærket protein - PSD-95 - så ud til at hænge ud i de fjernere dele af hjernen, hvor højere kognitive funktioner finder sted. Selvom regionerne overlapper hinanden, har et andet glødende protein mere foretrukket de indre hjerneområder.
Ved nærmere undersøgelse viste det sig, at de to glødende proteiner repræsenterer forskellige sæt synapser, forklarede forfatterne. Hvert område af hjernen har en karakteristisk "synaptisk signatur." Ligesom fingeraftryk, der adskiller sig i form og størrelse, ser forskellige hjerner til at indeholde synapser, der adskiller sig i proteinsammensætning, størrelse og antal.
Ved hjælp af en specielt designet maskinlæringsalgoritme klassificerede forskerne synapserne i 37 undertyper. Bemærkelsesværdigt indeholdt hjerneområderne, der er forbundet med højere ræsonnement og tænkeevne, også den mest forskellige population af synapser, mens de "reptiliske hjerneområder" var mere homogene i synaptisk indhold.
For at se, om mangfoldigheden af synapser hjælper med informationsbehandling, brugte forskerne computersimuleringer til at vise, hvordan synapser reagerer på normale elektriske kredsløb i hippocampus, et område i hjernen, der er vigtigt for læring og hukommelse. Hippocampus er et af de områder, der viser markant mangfoldighed i synapseundertyper.
Det er vigtigt, at hver type elektrisk informationsbehandling overføres til et unikt synaptomekort - ændre input, synaptomet ændres.
Dette antyder, at hjernen kan behandle flere elektriske oplysninger ved hjælp af et område i hjernen, fordi forskellige synaptoser er involveret.
Forskere fandt lignende resultater, da de registrerede elektriske kredsløb af musenes hjerner, der forsøgte at vælge mellem tre belønningsmuligheder. Forskellige synaptomer blev fyret, når valget var rigtigt eller forkert. Som et kort over indre tænkning malede synaptomer et levende billede af, hvad musen tænkte, når de tog et valg.
Hver opførsel aktiverer et separat synaptom. Hvert synaptom er en unik rollebesætning i tankeprocessen.
Omprogrammering af synaptomet
Som computerkode ser synaptomet ud til at være et beregningsresultat - en beslutning eller en tanke. Hvad hvis jeg ændrer denne kode?
Psykiatriske sygdomme har ofte genetiske årsager, der påvirker proteiner i synapsen. Ved hjælp af mus, der viste symptomer, der ligner skizofreni eller autisme, kortlagde forskerne deres synapser - og fandt dramatiske ændringer i, hvordan forskellige undertyper af synapser i hjernen er struktureret og forbundet.
F.eks. Som svar på normale elektriske kredsløb i hjernen var nogle synaptiske kort svage, mens andre blev unormalt stærke hos mutante mus. Mutationer kan ændre synaptomet og potentielt føre til psykiatriske lidelser. Det vil sige, nogle psykiatriske sygdomme "omprogrammerer" synaptomet. Stærkere eller simpelthen nye synaptiske kort kan være grunden til, at schizofrene patienter oplever vildfarelser og hallucinationer.
Så du er din synaptom?
Måske. Essensen i dig - erindringer, tanker - ser ud til at være præget af, hvordan forskellige synapser aktiveres som svar på input. Som et fingeraftryk kunne synaptomet læses for at dechiffrere, hvad du tænker. Imidlertid er denne forskning bare begyndelsen. Neurovidenskabsfolk har endnu ikke analyseret de komplekse forbindelser mellem synapser og dig.
Ilya Khel