Iedomājieties karti ar katru zvaigzni galaktikā. Karte ir tik detalizēta, ka tajā parādīts, kā izskatās katra zvaigzne, no kā tā sastāv, ar kuru citu zvaigzni saista lielie kosmosa fizikas likumi. Lai gan mums vēl nav šādas debesu astronomiskas kartes, pateicoties monumentālam pētījumam, kas pagājušajā nedēļā tika publicēts Neironā, mums ir līdzīga smadzeņu karte.
Ja katrs neirons būtu galaktika, sinapses ir mazas struktūras, kas izkaisītas punktos gar serpentīna neironiem - tās ir zvaigznes. Zinātnieku komanda no Edinburgas universitātes Lielbritānijā ir izveidojusi pirmo detalizēto katras sinapses karti peles smadzenēs.
Prāta karte: atslēga domāšanas mīklai
Izmantojot ģenētiski modificētas peles, zinātnieki burtiski lika katrai sinapsēm iedegties fluorescējošā gaismā visā smadzenēs, piemēram, zvaigznēm debesīs. Un tāpat kā zvaigznes atšķiras viena no otras, zinātnieki ir atklājuši, ka sinapses ir ļoti dažādas, taču tiek novēroti modeļi, kas var atbalstīt atmiņu un domāšanu.
Detalizētās kartes parādīja smadzeņu darbības pamatlikumu. Izmantojot mašīnmācību, komanda ir klasificējusi aptuveni vienu miljardu sinapses smadzenēs 37 veidu sinapsēs. Šeit ir punkts: kad neironu kopas saņem elektrisko informāciju, piemēram, izvēloties starp dažādiem problēmas risinājumiem, unikālie sinapses apakštipi, kas izkaisīti starp dažādiem neironiem, vienbalsīgi dzirkstī ar aktivitāti.
Citiem vārdiem sakot, sinapses ir dažāda veida. Un katrs tips var kontrolēt domu, lēmumu vai atmiņu.
Reklāmas video:
Nepārsteidz, ka neirozinātnieki uz darbu ir reaģējuši ļoti pozitīvi.
"Wow," komentēja Bens Sanderss no Minesotas Universitātes.
Tas ir "pārsteidzošs raksts, kurā ir apkopota sinapses apakštipu daudzveidība un izplatība peles smadzenēs", raksta neiroģenētiķis Kevins Mitčels. Tas "uzsver faktu, ka sinapses ir galvenie nervu sistēmas skaitļošanas elementi".
Pievienojiet savienojumu
Zinātnieku interese par "sinaptomas" - pirmā pilnīga sinapses kataloga izveidi peles smadzenēs - radīja daudz apjomīgāku projektu - savienojumu.
Īsāk sakot, savienojums ir visi neirālie savienojumi jūsu iekšienē. Kā saka Dr. Sebastians Sjungs, savienojamība ir bioloģiskais pamats tam, kas jūs esat - jūsu atmiņas, personība, domas un spriešana. Noķeriet savienojumu, un kādu dienu zinātnieki varēs rekonstruēt jūs, atdarinot veselas smadzenes.
Un tomēr, connectome apraksta tikai to, kā neironi funkcionālā veidā runā viens ar otru. Kur smadzenēs tas ir fiziski kodēts.
Šajā vietā spēlē sinapses. Neirozinātnieki jau sen zina, ka sinapses pārraida informāciju starp neironiem, izmantojot ķīmiskas vielas un elektrību. Ir bijuši arī mājieni, ka sinapses ievērojami atšķiras atkarībā no tajās esošajiem proteīniem, taču parasti šo atšķirību neņem vērā. Vēl nesen lielākā daļa zinātnieku uzskatīja, ka neironu ķermenī notiek reāli aprēķini - neirona sīpolainā daļa, no kuras rodas zari.
Līdz šim nav bijis iespēju aplūkot sinapses morfoloģiju un funkcijas visā smadzenēs, skaidro autori. Mēs parasti esam pievērsušies šo svarīgo savienojuma vietu kartēšanai mazos apgabalos.
Un ja tā, tad nākamie smadzeņu emulatori beidzot atradīs pēdu.
Synaptome karte
Lai izveidotu peles sinaptomu, autori izstrādāja plānu ar nosaukumu SYNMAP. Viņi sāka ar ģenētiski modificētām pelēm, kuru sinapses iemirdzējās dažādās krāsās. Katrā sinapsē ir blīvi pildīti dažādi proteīni, starp kuriem slavenākie kungi ir PSD-95 un SAP102. Nevajag iebiedēt vārdus. Autori viņiem pievienoja kvēlojošus proteīnus, kas darbojās kā lukturīši, apgaismojot katru smadzeņu sinapsi.
Kopumā zinātnieki vispirms mainīja peles bioloģiju, padarot tās sinapses mirdzošās dienasgaismas gaismā.
Pēc tam viņi centīgi sadalīja smadzenes gabalos, izmantoja mikroskopu, lai fotografētu sinapses dažādos smadzeņu reģionos, un salika attēlus.
Sinaptiskais attēls neapmācītai acij atgādina cieši iesaiņotu zvaigžņu karti - līdzīgu tai, ko nesen filmēja Habls. Katras sinapses iedalīšana kategorijās pārsniedz jebkura cilvēka spējas (un laiku), tāpēc zinātnieki izmantoja jaunas klasifikācijas metodes, izmantojot mašīnmācīšanos, un izstrādāja algoritmu, kas šos datus - vairāk nekā 10 terabaitus - parsē automātiski, bez uzraudzības nepieciešamības.
Fiziskā connectoma
Sākumā zinātniekus pārsteidza spīdošo sinapsu "izteiksmīgās shēmas". Šķita, ka viens marķētais olbaltumviela - PSD-95 - karājas visattālākajās smadzeņu daļās, kur notiek augstākas izziņas funkcijas. Lai arī reģioni pārklājas, cits kvēlojošs proteīns ir devis priekšroku vairāk smadzeņu iekšējiem reģioniem.
Pēc rūpīgākas pārbaudes izrādījās, ka abi kvēlojošie proteīni attēlo dažādas sinapses, skaidroja autori. Katrā smadzeņu apgabalā ir raksturīgs "sinaptiskais paraksts". Tāpat kā pirkstu nospiedumi, kas atšķiras pēc formas un lieluma, šķiet, ka dažādos smadzeņu reģionos ir sinapses, kas atšķiras ar olbaltumvielu sastāvu, lielumu un skaitu.
Izmantojot speciāli izstrādātu mašīnmācīšanās algoritmu, zinātnieki sinapses iedalīja 37 apakštipos. Jāatzīmē, ka smadzeņu reģioni, kas saistīti ar augstākām spriešanas un domāšanas spējām, saturēja arī visdaudzveidīgāko sinapsu populāciju, savukārt “reptiļu smadzeņu reģioni” sinaptiskā saturā bija vienveidīgāki.
Lai redzētu, vai sinapses daudzveidība palīdz informācijas apstrādē, zinātnieki izmantoja datoru simulācijas, lai parādītu, kā sinapses reaģē uz normālu elektrisko ķēdi hipokampā - smadzeņu apgabalā, kas ir svarīgs mācīšanās un atmiņas nodrošināšanai. Hipokampuss ir viena no jomām, kurā ir novērojama pārsteidzoša sinapses apakštipu daudzveidība.
Svarīgi ir tas, ka katrs elektriskās informācijas apstrādes veids tiek pārsūtīts uz unikālu sinaptomu karti - mainiet ieeju, mainīsies sinaptoma.
Tas liek domāt, ka smadzenes var apstrādāt vairākus elektriskos datus, izmantojot vienu smadzeņu zonu, jo ir iesaistītas dažādas sinaptozes.
Zinātnieki atrada līdzīgus rezultātus, kad viņi reģistrēja peļu smadzeņu elektriskās ķēdes, mēģinot izvēlēties starp trim atlīdzības variantiem. Dažādas sinaptomas tika atlaistas, kad izvēle bija pareiza vai nepareiza. Tāpat kā iekšējās domāšanas karte, sinaptomas gleznoja spilgtu attēlu par to, ko pele domāja, izvēloties izvēli.
Katra uzvedība aktivizē atsevišķu sinaptomu. Katrs sinaptoms ir unikāls domāšanas procesa dalībnieks.
Pārprogrammējiet sinaptomu
Tāpat kā datora kods, šķiet, ka sinaptoma ir pamatā skaitļošanas rezultātam - lēmumam vai domai. Ko darīt, ja es nomainīšu šo kodu?
Psihiskajām slimībām bieži ir ģenētiski cēloņi, kas ietekmē olbaltumvielas sinapsē. Izmantojot peles, kurām parādījās šizofrēnijai vai autismam līdzīgi simptomi, zinātnieki kartēja savas sinapses - un atrada dramatiskas pārmaiņas, kā smadzenēs tiek veidoti un savienoti dažādi sinapses apakštipi.
Piemēram, reaģējot uz normālu elektrisko ķēdi smadzenēs, dažas sinaptiskās kartes bija vājas, bet citas mutācijas pelēm kļuva nenormāli spēcīgas. Mutācijas var mainīt sinaptomu un potenciāli izraisīt psihiskus traucējumus. Tas ir, dažas psihiskas slimības "pārprogrammē" sinaptomu. Spēcīgākas vai vienkārši jaunas sinaptiskās kartes var būt iemesls šizofrēnijas pacientiem maldiem un halucinācijām.
Tātad jūs esat jūsu sinaptoms?
Var būt. Šķiet, ka jūsu būtība - atmiņas, domas - tiek iespiesta tajā, kā, reaģējot uz ievadi, tiek aktivizētas dažādas sinapses. Tāpat kā pirkstu nospiedumu, sinaptomu varēja nolasīt, lai atšifrētu to, ko domājat. Tomēr šis pētījums ir tikai sākums. Neirozinātniekiem vēl nav jāanalizē sarežģītie savienojumi starp sinapsēm un jums.
Iļja Khel