Представете си карта с всяка звезда в галактиката. Картата е толкова подробна, че показва как изглежда всяка звезда, от какво се състои, с коя друга звезда е свързана по големите закони на физиката на космоса. Въпреки че все още нямаме такава астрономическа карта на небесата, благодарение на монументално проучване, публикувано миналата седмица в Neuron, имаме подобна мозъчна карта.
Ако всеки неврон беше галактика, синапсите са малки структури, разпръснати в точки по серпентиновите неврони - това са звезди. Екип от учени от Университета в Единбург във Великобритания изгради първата подробна карта на всеки синапс в мозъка на мишката.
Мозъчна карта: ключът към пъзела на мисленето
Използвайки генетично модифицирани мишки, учените буквално накараха всеки синапс да се осветява под флуоресцентна светлина по целия мозък, като звезди в небето. И точно както звездите се различават една от друга, учените откриха, че синапсите са много разнообразни, но има модели, които могат да подкрепят паметта и мисленето.
Подробните карти показаха основния закон на мозъчната дейност. Използвайки машинно обучение, екипът е класифицирал приблизително един милиард синапси в мозъка на 37 вида синапси. Ето точката: когато наборите от неврони получават електрическа информация, например, избирайки между различни решения на даден проблем, уникалните подтипове синапси, разпръснати между различните неврони, единодушно искрят с активност.
С други думи, синапсите са от различен тип. И всеки тип може да контролира мисъл, решение или памет.
Промоционално видео:
Не е изненадващо, че невролозите реагират много положително на работата.
"Леле", коментира Бен Сандърс от университета в Минесота.
Това е "невероятна статия, която каталогизира разнообразието и разпределението на подтипове на синапса в мозъка на мишката", пише неврогенетикът Кевин Мичъл. Това "подчертава факта, че синапсите са ключови изчислителни елементи на нервната система."
Свържете конектома
Интересът на учените да създадат „синаптом“- първият пълен каталог на синапси в мозъка на мишката - произтича от много по-голям проект: коннектомата.
Накратко, свързващ елемент са всички невронни връзки вътре във вас. Както казва д-р Себастиан Сюнг, свързването е биологичната основа на това кой сте - вашите спомени, вашата личност, вашите мисли и разсъждения. Хванете съединител и един ден учените ще могат да ви реконструират, подражавайки на цял мозък.
И все пак, контактема само описва как невроните функционално разговарят един с друг. Къде в мозъка е кодиран физически.
Това е мястото, където синапсите влизат в игра. Невролозите отдавна знаят, че синапсите предават информация между невроните, използвайки химикали и електричество. Има и намеци, че синапсите се различават значително в зависимост от протеините, които съдържат, но това разграничение обикновено се игнорира. Доскоро повечето учени вярваха, че в невронното тяло се извършват истински изчисления - луковичната част на неврона, от която излизат клоните.
Досега нямаше как да се разгледа морфологията и функцията на синапсите в целия мозък, обясняват авторите. Обикновено сме се фокусирали върху картографирането на тези важни точки за връзка в малки райони.
И ако е така, бъдещите мозъчни емулатори най-накрая ще намерят опора.
Карта на синаптома
За да построят синаптома на мишката, авторите създали план, наречен SYNMAP. Те започнаха с генетично модифицирани мишки, чиито синапси светиха с различни цветове. Всеки синапс е гъсто пълен с различни протеини, сред които PSD-95 и SAP102 са най-известните господа. Не се плашете от имената. Авторите добавят към тях светещи протеини, които действат като фенерчета, осветявайки всеки синапс в мозъка.
Като цяло учените първо промениха биологията на мишката, като направиха нейните синапси да светят под флуоресцентна светлина.
След това старателно нарязаха мозъка на парчета, използваха микроскоп, за да направят снимки на синапси в различни региони на мозъка и поставиха снимките заедно.
Синаптичното изображение напомня необученото око на плътно опакована звезда карта - като тази, която Хъбъл наскоро засне. Категоризацията на всеки синапс надхвърля възможностите (и времето) на всеки човек, така че учените са използвали нови методи за класификация, използвайки машинно обучение и са разработили алгоритъм, който анализира тези данни - повече от 10 терабайта - автоматично, без нужда от надзор.
Физическа коннектома
В началото учените бяха поразени от „изразителните схеми“на блестящите синапси. Един белязан протеин - PSD-95 - сякаш виси в по-отдалечените части на мозъка, където се осъществяват по-високи познавателни функции. Въпреки че регионите се припокриват, друг светещ протеин предпочита повече от вътрешните мозъчни области.
При по-внимателна проверка се оказа, че двата светещи протеина представляват различни набори от синапси, обясниха авторите. Всяка област на мозъка има характерен „синаптичен подпис“. Подобно на пръстовите отпечатъци, които се различават по форма и размер, различните области на мозъка изглежда съдържат синапси, които се различават по протеинов състав, размер и брой.
Използвайки специално разработен алгоритъм за машинно обучение, учените класифицираха синапсите в 37 подтипа. Забележително е, че мозъчните региони, свързани с по-високи способности за разсъждение и мислене, също съдържат най-разнообразната популация от синапси, докато "мозъчните региони на рептилиите" са по-хомогенни по синаптично съдържание.
За да видят дали разнообразието от синапси помага при обработката на информация, учените използваха компютърни симулации, за да покажат как синапсите реагират на нормални електрически вериги в хипокампуса, област на мозъка, важна за учене и памет. Хипокампусът е една от областите, които показват поразително разнообразие в подтиповете синапс.
Важното е, че всеки тип електрическа обработка на информация се предава на уникална карта на синаптома - променете входа, синаптома ще се промени.
Това предполага, че мозъкът може да обработва множество електрическа информация, използвайки една област на мозъка, тъй като участват различни синаптози.
Учените откриха подобни резултати, когато записаха електрически вериги на мозъка на мишки, опитвайки се да избират между три варианта за награда. Различни синаптоми бяха уволнени, когато изборът беше правилен или грешен. Подобно на карта на вътрешното мислене, синаптомите нарисуваха жива картина за мисленето на мишката, когато прави избор.
Всяко поведение активира отделен синаптом. Всеки синаптом е уникален състав на мисловния процес.
Препрограмиране на синаптома
Подобно на компютърния код, изглежда, че синаптома лежи в основата на изчислителния резултат - решение или мисъл. Какво става, ако променя този код?
Психичните заболявания често имат генетични причини, които засягат протеините в синапса. Използвайки мишки, които проявяват симптоми, подобни на шизофрения или аутизъм, учените картографират синапсите си - и откриват драматични промени в структурата и връзката на различните подтипове синапси в мозъка.
Например, в отговор на нормални електрически вериги в мозъка, някои синаптични карти са слаби, докато други стават необичайно силни при мутантни мишки. Мутациите могат да променят синаптома и потенциално да доведат до психиатрични разстройства. Тоест някои психиатрични заболявания „препрограмират“синаптома. По-силните или просто нови синаптични карти могат да бъдат причината шизофреничните пациенти да изпитат заблуди и халюцинации.
Значи ти си синаптома?
Може би. Същността на вас - спомени, мисли - изглежда е отпечатана в това как се активират различни синапси в отговор на въвеждането. Подобно на пръстов отпечатък, синаптомът може да бъде прочетен, за да дешифрирате какво мислите. Това изследване обаче е само началото. Невролозите все още не са анализирали сложните връзки между синапсите и вас.
Иля Кел