Föreställ dig en karta med varje stjärna i galaxen. Kartan är så detaljerad att den visar hur varje stjärna ser ut, vad den består av, med vilken annan stjärna är förbunden med rymdens fysiska lagar. Även om vi ännu inte har en sådan astronomisk karta över himlen, tack vare en monumental studie som publicerades förra veckan i Neuron, har vi en liknande hjärnkarta.
Om varje neuron var en galax, är synapser små strukturer spridda i prickar längs serpentinneuroner - dessa är stjärnor. Ett team av forskare från University of Edinburgh i Storbritannien har byggt den första detaljerade kartan över varje synapse i mushjärnan.
Hjärnkarta: nyckeln till tänkande
Genom att använda genetiskt modifierade möss fick forskarna bokstavligen varje synaps att lysa upp under fluorescerande ljus över hela hjärnan, som stjärnor på himlen. Och precis som stjärnor skiljer sig från varandra har forskare funnit att synapser är mycket olika, men mönster observeras som kan stödja minne och tänkande.
Detaljerade kartor visade den grundläggande lagen för hjärnaktivitet. Med hjälp av maskininlärning har teamet kategoriserat de ungefär en miljard synapser över hjärnan i 37 typer av synapser. Här är poängen: när uppsättningar av nervceller får elektrisk information, till exempel genom att välja mellan olika lösningar på ett problem, gnistrar de unika subtyperna av synapser spridda mellan olika neuroner enhälligt av aktivitet.
Med andra ord är synapser av olika typer. Och varje typ kan styra en tanke, beslut eller minne.
Kampanjvideo:
Det är inte förvånande att neurovetenskapsmän har reagerat mycket positivt på arbetet.
"Wow," kommenterade Ben Sanders från University of Minnesota.
Det är "en fantastisk artikel som katalogiserar mångfalden och fördelningen av synapssubtyper genom mushjärnan", skriver neurogenetiker Kevin Mitchell. Detta "understryker det faktum att synapser är viktiga beräkningselement i nervsystemet."
Anslut anslutningen
Forskarnas intresse för att skapa ett "synaptom" - den första kompletta katalogen över synapser i mushjärnan - härrör från ett mycket större projekt: connectome.
Kort sagt, en anknytning är alla de neurala anslutningarna i dig. Som Dr. Sebastian Sjung säger, connectome är den biologiska grunden för vem du är - dina minnen, din personlighet, dina tankar och resonemang. Fånga en anslutning, och en dag kommer forskare att kunna rekonstruera dig genom att emulera en hel hjärna.
Och ändå beskriver connectome bara hur neuroner funktionellt pratar med varandra. Var i hjärnan är den fysiskt kodad.
Det är här synapser spelar in. Neurovetenskapsmän har länge vetat att synapser överför information mellan neuroner med kemikalier och elektricitet. Det har också förekommit tips om att synapser skiljer sig mycket beroende på proteinerna som de innehåller, men denna distinktion har vanligtvis ignorerats. Fram till nyligen trodde de flesta forskare att verkliga beräkningar ägde rum i den neurala kroppen - den bulbösa delen av neuronen från vilken grenarna kommer ut.
Hittills fanns det inget sätt att titta på morfologin och funktionen hos synapser i hela hjärnan, förklarar författarna. Vi har vanligtvis fokuserat på att kartlägga dessa viktiga kopplingspunkter i små områden.
Och i så fall kommer framtida hjärnemulatorer äntligen att få fotfäste.
Synaptome karta
För att bygga ett mussynaptom, författarna föreslog en plan som heter SYNMAP. De började med genetiskt modifierade möss, vars synapser glödde med olika färger. Varje synapse är tätt packad med olika proteiner, bland vilka PSD-95 och SAP102 är de mest kända herrarna. Låt dig inte skrämmas av namnen. Författarna tilllade glödande proteiner till dem, som fungerade som ficklampor och lyser upp varje synapse i hjärnan.
Generellt förändrade forskare först biologin hos musen genom att få sin synapser att lysa under lysrör.
De skar därefter noggrant delade hjärnan i bitar, använde ett mikroskop för att ta bilder av synapser i olika delar av hjärnan och sätta ihop bilderna.
Den synaptiska bilden påminner det otränade ögat på en tätt packad stjärnkarta - som den som Hubble nyligen filmade. Kategoriseringen av varje synapse går utöver alla människors förmåga (och tid), så forskare har använt nya klassificeringsmetoder med maskininlärning och utvecklat en algoritm som analyserar dessa data - mer än 10 terabyte - automatiskt utan behov av övervakning.
Fysisk anslutning
Till en början slogs forskare av de "uttrycksfulla schema" i de lysande synapserna. Ett märkt protein - PSD-95 - tycktes hänga i de mer avlägsna delarna av hjärnan, där högre kognitiva funktioner äger rum. Även om regionerna överlappar har ett annat glödande protein föredragit mer av de inre hjärnregionerna.
Vid en närmare granskning visade det sig att de två glödande proteinerna representerar olika uppsättningar av synapser, förklarade författarna. Varje hjärnområde har en karakteristisk "synaptisk signatur." Liksom fingeravtryck, som skiljer sig åt i form och storlek, verkar olika delar av hjärnan innehålla synapser som skiljer sig i proteinsammansättning, storlek och antal.
Med hjälp av en speciellt utformad maskininlärningsalgoritm klassificerade forskarna synapserna i 37 subtyper. Det är anmärkningsvärt att hjärnregionerna associerade med högre resonemang och tänkande förmåga innehöll också den mest varierande populationen av synapser, medan "reptilian hjärnregioner" var mer enhetliga i synaptiska innehåll.
För att se om mångfalden i synapser hjälper till med informationsbearbetning använde forskarna datorsimuleringar för att visa hur synapser svarar på normala elektriska kretsar i hippocampus, ett område i hjärnan som är viktigt för lärande och minne. Hippocampus är ett av områdena som visar slående mångfald i synapssubtyper.
Det är viktigt att varje typ av bearbetning av elektrisk information överförs till en unik synaptomkarta - ändra ingången, synaptomen kommer att ändras.
Detta antyder att hjärnan kan behandla flera elektriska uppgifter med hjälp av ett område i hjärnan eftersom olika synaptoser är involverade.
Forskare fann liknande resultat när de registrerade elektriska kretsar av hjärnan hos möss försökte välja mellan tre belöningsalternativ. Olika synaptomer avfyrades när valet var rätt eller fel. Som en karta över inre tänkande målade synaptomer en livlig bild av vad musen tänkte när de gjorde ett val.
Varje beteende aktiverar ett separat synaptom. Varje synaptom är en unik roll till tankeprocessen.
Omprogrammera synaptomet
Liksom datorkod verkar synaptomet ligga till grund för ett beräkningsresultat - ett beslut eller en tanke. Vad händer om jag ändrar den här koden?
Psykiatriska sjukdomar har ofta genetiska orsaker som påverkar proteiner i synapsen. Med hjälp av möss som visade symtom som liknar schizofreni eller autism, kartlade forskarna sina synapser - och fann dramatiska förändringar i hur olika subtyper av synapser i hjärnan är strukturerade och anslutna.
Till exempel, som svar på normala elektriska kretsar i hjärnan, var vissa synaptiska kartor svaga, medan andra blev onormalt starka hos mutanta möss. Mutationer kan förändra synaptomet och potentiellt leda till psykiatriska störningar. Det vill säga, vissa psykiatriska sjukdomar "omprogrammerar" synaptomet. Starkare eller helt enkelt nya synaptiska kartor kan vara anledningen till att schizofrena patienter upplever illusioner och hallucinationer.
Så du är din synaptom?
Kanske. Kärnan i dig - minnen, tankar - verkar vara intryckt i hur olika synapser aktiveras som svar på input. Som ett fingeravtryck kan synaptomet läsas för att dechiffrera vad du tänker. Men denna forskning är bara början. Neurovetenskapsmän har ännu inte analyserat de komplexa sambanden mellan synapser och dig.
Ilya Khel
