Zamislite kartu sa svakom zvijezdom u galaksiji. Karta je toliko detaljna da prikazuje kako svaka zvijezda izgleda, od čega se sastoji, s kojom je drugom zvijezdom povezan velikim zakonima fizike prostora. Iako još uvijek nemamo takvu astronomsku kartu neba, zahvaljujući monumentalnoj studiji objavljenoj prošlog tjedna u Neuronu, imamo sličnu mapu mozga.
Ako bi svaki neuron bio galaksija, sinapse su male strukture razbacane u točkicama duž serpentinskih ekstenzija neurona - to su zvijezde. Tim znanstvenika sa Sveučilišta u Edinburghu u Velikoj Britaniji izgradio je prvu detaljnu kartu svake sinapse u mišjem mozgu.
Karta mozga: ključ za zagonetku razmišljanja
Koristeći genetski modificirane miševe, znanstvenici su doslovno snimili svaku sinapsu pod fluorescentnom svjetlošću po cijelom mozgu, poput zvijezda na nebu. I, baš kao što se zvijezde međusobno razlikuju, znanstvenici su otkrili da su sinapse vrlo raznolike, ali postoje obrasci koji mogu poduprijeti pamćenje i mišljenje.
Detaljne karte pokazale su osnovni zakon moždane aktivnosti. Pomoću strojnog učenja, tim je grupisao otprilike milijardu sinapsi u mozgu u 37 vrsta sinapsi. Ovdje je poanta: kada skupovi neurona primaju električne informacije, na primjer, birajući između različitih rješenja problema, jedinstvene podvrste sinapsija razbacanih po različitim neuronima jednoglasno isijavaju s aktivnošću.
Drugim riječima, sinapse su različitih vrsta. I svaka vrsta može kontrolirati misao, odluku ili sjećanje.
Promotivni video:
Ne iznenađuje da su neuroznanstvenici na djelo reagirali vrlo pozitivno.
"Wow", komentirao je Ben Sanders sa Sveučilišta u Minnesoti.
To je "nevjerojatan članak koji katalogizira raznolikost i distribuciju podtipova sinapsi u mišjem mozgu", piše neurogenetski poznavalac Kevin Mitchell. To "podvlači činjenicu da su sinapse ključni računarski elementi živčanog sustava."
Povežite koneometar
Zanimanje znanstvenika za stvaranjem "sinaptoma" - prvog cjelovitog kataloga sinapsi u mišjem mozgu - proizlazi iz mnogo većeg projekta: koneometa.
Ukratko, poveznica su sve neuronske veze u vama. Kao što kaže dr. Sebastian Sjung, poveznica je biološka osnova tko ste - sjećanja, vaša osobnost, vaše misli i zaključke. Uhvatite poveznicu, a jednog dana znanstvenici će vas moći rekonstruirati emulirajući cijeli mozak.
Pa ipak, poveznica opisuje samo kako neuroni funkcionalno razgovaraju jedni s drugima. Gdje je u mozgu to fizički kodirano.
Ovdje se igraju sinapse. Neuroznanstvenici već dugo znaju da sinapse prenose informacije između neurona pomoću kemikalija i električne energije. Također su postojali nagovještaji da se sinapse jako razlikuju ovisno o proteinima koje sadrže, ali ta se razlika obično zanemaruje. Donedavno je većina znanstvenika vjerovala da se stvarni proračuni odvijaju u živčanom tijelu - gomoljastom dijelu neurona iz kojeg izlaze grane.
Do sada nije bilo načina da se pregleda morfologija i funkcija sinapse u mozgu, objašnjavaju autori. Obično smo se fokusirali na mapiranje ovih važnih spojnih mjesta na malim područjima.
I ako je tako, budući će moždani emulatori napokon pronaći uporište.
Karta sinapse
Da bi izgradili mišji sinaptom, autori su osmislili plan koji se zove SYNMAP. Počeli su s genetski modificiranim miševima, čije su sinapse blistale različitim bojama. Svaka sinapsa gusto je pakirana s različitim proteinima, među kojima su PSD-95 i SAP102 najpoznatija gospoda. Nemojte se zastrašivati imenima. Autori su im dodali užarene bjelančevine, koje su djelovale kao bljeskalice, osvjetljavajući svaku sinapsu u mozgu.
Općenito, znanstvenici su prvi promijenili biologiju miša tako što su njegove sinapse blistale pod fluorescentnom svjetlošću.
Potom su mukotrpno rezali mozak na komade, upotrijebili mikroskop da bi slikali sinapse u različitim dijelovima mozga i slike sastavili.
Sinaptička slika podsjeća na neobrazovano oko usko nabijene karte zvijezda - poput one koju je Hubble nedavno snimio. Kategorizacija svake sinapse nadilazi sposobnost (i vrijeme) bilo koje osobe, pa su znanstvenici koristili nove metode klasifikacije koristeći strojno učenje i razvili algoritam koji automatski rastavlja ove podatke - više od 10 terabajta, bez potrebe za nadzorom.
Fizički konekom
U početku su znanstvenici bili pogođeni "ekspresivnim shemama" sjajnih sinapsi. Čini se da jedan označeni protein - PSD-95 - visi u udaljenijim dijelovima mozga, gdje se odvijaju veće kognitivne funkcije. Iako se regije preklapaju, drugi užareni protein preferira više unutrašnjih regija mozga.
Nakon pomnijeg pregleda, pokazalo se da dva užarena proteina predstavljaju različite skupine sinapsi, objasnili su autori. Svako područje mozga ima karakterističan "sinaptički potpis". Poput otisaka prstiju, koji se razlikuju u obliku i veličini, čini se da različite regije mozga sadrže sinapse koje se razlikuju u sastavu, veličini i broju proteina.
Koristeći posebno dizajnirani algoritam strojnog učenja, znanstvenici su sinapse klasificirali u 37 podvrsta. Značajno je da su regije mozga povezane s većim sposobnostima razmišljanja i razmišljanja sadržavale i najraznolikiju populaciju sinapsi, dok su "regije gmazovskog mozga" bile homogene po sinaptičkom sadržaju.
Da bi utvrdili pomaže li raznolikost sinapse u obradi informacija, znanstvenici su koristili računalne simulacije kako bi pokazali kako sinapse reagiraju na normalne električne krugove u hipokampusu, području mozga važnom za učenje i pamćenje. Hipokampus je jedno od područja koja pokazuju nevjerojatnu raznolikost u podtipovima sinapsi.
Važno je da se svaka vrsta električne obrade informacija prenosi na jedinstvenu kartu sinaptoma - promijenite ulaz, promijenit će se sinaptom.
Ovo sugeriše da mozak može obraditi više električnih informacija koristeći jedno područje mozga jer su uključene različite sinaptoze.
Znanstvenici su pronašli slične rezultate kada su snimali električne krugove mozgova miševa pokušavajući birati između tri mogućnosti nagrađivanja. Otpušteni su razni sinaptomi kada je izbor bio pravi ili pogrešan. Poput mape unutarnjeg razmišljanja, sinaptomi su oslikali živopisnu sliku onoga što je miš mislio prilikom izbora.
Svako ponašanje aktivira zasebni sinaptom. Svaki sinaptom jedinstven je sastav misaonog procesa.
Reprogramiranje sinaptoma
Poput računalnog koda, čini se da i sinaptom stoji u proračunskom ishodu - odluci ili razmišljanju. Što ako promijenim ovaj kod?
Psihijatrijske bolesti često imaju genetske uzroke koji utječu na proteine u sinapsi. Koristeći miševe koji su pokazivali simptome slične shizofreniji ili autizmu, znanstvenici su preslikali njihove sinapse - i otkrili dramatične promjene u načinu strukturiranja i povezanosti različitih podtipova sinapsi u mozgu.
Na primjer, kao odgovor na normalne električne krugove u mozgu, neke su sinaptičke karte bile slabe, dok su druge postale nenormalno jake u mutiranim miševima. Mutacije mogu promijeniti sinaptome i potencijalno dovesti do psihijatrijskih poremećaja. Odnosno, neke psihijatrijske bolesti "reprogramiraju" sinaptom. Jače ili jednostavno nove sinaptičke mape mogu biti razlog shizofrenih pacijenata koji su imali zablude i halucinacije.
Dakle, vi ste vaš sinaptom?
Može biti. Čini se da je suština vas - sjećanja, misli - utisnuta u tome kako se različite sinapse aktiviraju kao odgovor na ulaz. Kao otisak prsta, sinaptom se može iščitati kako biste dešifrirali ono što mislite. Međutim, ovo je istraživanje tek početak. Neuroznanstvenici još nisu analizirali složene veze između sinapsi i vas.
Ilya Khel