Imaginează-ți o hartă cu fiecare stea din galaxie. Harta este atât de detaliată încât arată cum arată fiecare stea, din ce constă, cu care o altă stea este legată de marile legi ale fizicii spațiului. Deși nu avem încă o astfel de hartă astronomică a cerurilor, datorită unui studiu monumental publicat săptămâna trecută în Neuron, avem o hartă a creierului similară.
Dacă fiecare neuron a fost o galaxie, sinapsele sunt mici structuri împrăștiate în puncte de-a lungul neuronilor serpentine - acestea sunt stele. O echipă de oameni de știință de la Universitatea din Edinburgh din Marea Britanie a construit prima hartă detaliată a fiecărei sinapse din creierul mouse-ului.
Harta creierului: cheia puzzle-ului gândirii
Folosind șoareci modificați genetic, oamenii de știință au făcut literalmente ca fiecare sinapsă să se aprindă sub lumina fluorescentă peste tot creierul, ca niște stele din cer. Și, la fel cum stelele diferă una de cealaltă, oamenii de știință au descoperit că sinapsele sunt foarte diverse, dar se observă modele care pot susține memoria și gândirea.
Hărțile detaliate au arătat legea fundamentală a activității creierului. Folosind învățarea automată, echipa a clasificat aproximativ un miliard de sinapse din întregul creier în 37 de tipuri de sinapse. Iată ideea: atunci când seturile de neuroni primesc informații electrice, de exemplu, alegând între diferite soluții pentru o problemă, subtipurile unice de sinapse împrăștiate printre diferiți neuroni stârnesc în unanimitate cu activitatea.
Cu alte cuvinte, sinapsele sunt de diferite tipuri. Și fiecare tip poate controla un gând, o decizie sau o memorie.
Video promotional:
În mod surprinzător, neuroștiștii au reacționat foarte pozitiv la lucrare.
„Uau”, a comentat Ben Sanders de la Universitatea din Minnesota.
Este „un articol uimitor care catalogează diversitatea și distribuția subtipurilor sinapse în întregul creier al șoarecului”, scrie neurogeneticistul Kevin Mitchell. Acest lucru „subliniază faptul că sinapsele sunt elemente cheie de calcul ale sistemului nervos”.
Conectați conectomul
Interesul oamenilor de știință de a crea un „sinaptom” - primul catalog complet de sinapse din creierul mouse-ului - a provenit dintr-un proiect mult mai mare: conectomul.
Pe scurt, un conectom reprezintă toate conexiunile neurale din interiorul tău. După cum spune dr. Sebastian Sjung, conectomul este baza biologică a cui ești - amintirile, personalitatea, gândurile și raționamentul tău. Prindeți un conectom, iar oamenii de știință vor putea să vă reconstruiască, imulând un creier întreg.
Și totuși, conectomul descrie doar modul în care neuronii vorbesc funcțional între ei. Acolo unde în creier este codat fizic.
Aici intră în joc sinapsele. Neurologii știu de multă vreme că sinapsele transmit informații între neuroni folosind substanțe chimice și electricitate. Au existat și idei că sinapsele diferă foarte mult în funcție de proteinele pe care le conțin, dar această distincție a fost de obicei ignorată. Până de curând, majoritatea oamenilor de știință credeau că au fost efectuate calcule reale în corpul neural - partea bulboasă a neuronului din care apar ramurile.
Până acum, nu exista nicio modalitate de a privi morfologia și funcția sinapselor din întregul creier, explică autorii. De obicei, ne-am concentrat pe cartografierea acestor puncte de conexiune importante în zone mici.
Și dacă da, viitorii emulatori ai creierului vor găsi în sfârșit un punct de sprijin.
Harta sinaptomului
Pentru a construi un sinaptom al mouse-ului, autorii au conceput un plan numit SYNMAP. Au început cu șoareci modificați genetic, ale căror sinapse străluceau cu diferite culori. Fiecare sinapsă este împachetată dens cu diferite proteine, dintre care PSD-95 și SAP102 sunt cei mai cunoscuți domni. Nu te lăsa intimidat de nume. Autorii le-au adăugat proteine strălucitoare, care au acționat ca lanterne, luminând fiecare sinapsă din creier.
În general, oamenii de știință au modificat mai întâi biologia șoarecului, făcând sinapsele să strălucească sub lumină fluorescentă.
Apoi au tăiat cu atenție creierul în bucăți, au folosit un microscop pentru a face poze cu sinapsele în diferite regiuni ale creierului și a pus imaginile la un loc.
Imaginea sinaptică amintește ochiul netratat al unei hărți stelare bine împachetate - precum cea filmată de Hubble recent. Clasificarea fiecărei sinapse depășește abilitatea (și sincronizarea) oricărei persoane, astfel că oamenii de știință au folosit noi metode de clasificare folosind învățarea automată și au dezvoltat un algoritm care analizează aceste date - mai mult de 10 terabyți - automat, fără a fi nevoie de supraveghere.
Conectom fizic
La început, oamenii de știință au fost izbiți de „schemele expresive” ale sinapselor strălucitoare. O proteină marcată - PSD-95 - părea să stea în părțile mai îndepărtate ale creierului, unde au loc funcții cognitive superioare. Deși regiunile se suprapun, o altă proteină strălucitoare a preferat mai multe regiuni ale creierului interior.
La o inspecție mai atentă, s-a dovedit că cele două proteine strălucitoare reprezintă seturi diferite de sinapse, au explicat autorii. Fiecare zonă a creierului are o „semnătură sinaptică” caracteristică. Ca și amprentele, care diferă ca formă și dimensiune, diferite regiuni ale creierului par să conțină sinapse care diferă în compoziția, mărimea și numărul proteinelor.
Folosind un algoritm special de învățare a mașinilor, oamenii de știință au clasificat sinapsele în 37 de subtipuri. În mod remarcabil, regiunile creierului asociate cu raționamentele și abilitățile de gândire superioare conțineau și cea mai diversă populație de sinapse, în timp ce „regiunile creierului reptilien” erau mai uniforme în conținutul sinaptic.
Pentru a vedea dacă diversitatea sinapselor ajută la prelucrarea informațiilor, oamenii de știință au folosit simulări pe computer pentru a arăta modul în care sinapsele răspund la circuitele electrice normale din hipocamp, o zonă a creierului importantă pentru învățare și memorie. Hipocampul este una dintre zonele care prezintă o diversitate izbitoare în subtipurile sinapselor.
Important este că fiecare tip de prelucrare a informațiilor electrice este transmis pe o hartă sinaptomă unică - modificați intrarea, sinaptomul se va schimba.
Acest lucru sugerează că creierul poate prelucra mai multe informații electrice folosind o zonă a creierului, deoarece sunt implicate diferite sinaptoze.
Oamenii de știință au găsit rezultate similare atunci când au înregistrat circuite electrice ale creierului șoarecilor încercând să aleagă între trei opțiuni de recompensare. Diverse sinaptomi au fost concediați atunci când alegerea a fost corectă sau greșită. Ca o hartă a gândirii interioare, sinaptomii au pictat o imagine vie a ceea ce gândea șoarecele atunci când făcea o alegere.
Fiecare comportament activează un sinaptom separat. Fiecare sinaptom este o distribuție unică a procesului de gândire.
Reprogramarea sinaptomului
Ca și codul computerului, sinaptomul pare să stea la baza unui rezultat de calcul - o decizie sau un gând. Ce se întâmplă dacă schimb acest cod?
Bolile psihiatrice au adesea cauze genetice care afectează proteinele din sinapsă. Folosind șoareci care au prezentat simptome similare cu schizofrenia sau autismul, oamenii de știință au cartografiat sinapsele lor - și au constatat schimbări dramatice în modul în care sunt structurate și conectate diferite subtipuri de sinapse din creier.
De exemplu, ca răspuns la circuitele electrice normale din creier, unele hărți sinaptice erau slabe, în timp ce altele au devenit anormal de puternice la șoarecii mutanți. Mutațiile pot schimba sinaptomul și pot duce la tulburări psihice. Adică, unele boli psihiatrice „reprogramează” sinaptomul. Hărțile sinaptice mai puternice sau mai simple pot fi motivul pentru care pacienții schizofrenici se confruntă cu iluzii și halucinații.
Deci ești sinaptomul tău?
Poate. Esența dintre voi - amintiri, gânduri - pare să fie imprimată în modul în care se activează diferite sinapse ca răspuns la intrare. Ca o amprentă, sinaptomul ar putea fi citit pentru a descifra ceea ce gândești. Cu toate acestea, această cercetare este doar începutul. Neurologii au încă să analizeze conexiunile complexe dintre sinapse și dumneavoastră.
Ilya Khel
