Bayangkan peta dengan setiap bintang di galaksi. Peta ini begitu terperinci sehingga menunjukkan bagaimana rupa setiap bintang, bentuknya, bintang lain yang dihubungkan oleh undang-undang fizik ruang. Walaupun kita belum memiliki peta langit yang astronomi, berkat kajian monumental yang diterbitkan minggu lalu di Neuron, kita mempunyai peta otak yang serupa.
Sekiranya setiap neuron adalah galaksi, sinaps adalah struktur kecil yang tersebar di titik di sepanjang neuron serpentin - ini adalah bintang. Sepasukan saintis dari University of Edinburgh di UK telah membina peta terperinci pertama setiap sinaps di otak tikus.
Peta otak: kunci teka-teki pemikiran
Dengan menggunakan tikus yang diubahsuai secara genetik, para saintis secara harfiah membuat setiap sinaps menyala di bawah cahaya pendarfluor di seluruh otak, seperti bintang di langit. Dan, sama seperti bintang berbeza antara satu sama lain, saintis mendapati bahawa sinapsis sangat pelbagai, tetapi corak diperhatikan yang dapat menyokong ingatan dan pemikiran.
Peta terperinci menunjukkan hukum asas aktiviti otak. Dengan menggunakan pembelajaran mesin, pasukan telah mengkategorikan kira-kira satu bilion sinaps di seluruh otak menjadi 37 jenis sinaps. Inilah intinya: apabila set neuron menerima maklumat elektrik, sebagai contoh, memilih antara penyelesaian yang berbeza untuk masalah, subtipe unik sinapsis yang tersebar di antara neuron yang berlainan berkilau dengan aktiviti.
Dengan kata lain, sinaps terdiri daripada pelbagai jenis. Dan setiap jenis dapat mengawal pemikiran, keputusan, atau ingatan.
Video promosi:
Tidak mengejutkan, para saintis saraf telah memberi reaksi yang sangat positif terhadap pekerjaan tersebut.
"Wow," komen Ben Sanders dari University of Minnesota.
Ini adalah "artikel luar biasa yang mengkatalogkan kepelbagaian dan taburan subtipe sinaps di seluruh otak tikus," tulis pakar neurogenetik Kevin Mitchell. Ini "menggarisbawahi fakta bahawa sinaps adalah elemen pengkomputeran utama sistem saraf."
Sambungkan sambungan
Minat para saintis untuk membuat "sinaptome" - katalog sinaps yang lengkap pertama di otak tetikus - berpunca dari projek yang jauh lebih besar: connectome.
Ringkasnya, connectome adalah semua sambungan saraf dalam diri anda. Sebagaimana yang dikatakan oleh Dr. Sebastian Sjung, connectome adalah asas biologi siapa diri anda - kenangan, keperibadian anda, fikiran dan pemikiran anda. Ikuti hubungan, dan suatu hari saintis akan dapat membina semula anda dengan meniru keseluruhan otak.
Namun, connectome hanya menerangkan bagaimana neuron saling berfungsi secara fungsional. Di mana di otak ia dikodkan secara fizikal.
Di sinilah sinapsis dimainkan. Ahli sains saraf telah lama mengetahui bahawa sinaps menghantar maklumat antara neuron menggunakan bahan kimia dan elektrik. Terdapat juga petunjuk bahawa sinapsis sangat berbeza bergantung pada protein yang dikandungnya, tetapi perbezaan ini biasanya diabaikan. Sehingga baru-baru ini, kebanyakan saintis percaya bahawa pengiraan sebenar berlaku di badan saraf - bahagian neuron yang bulat dari mana cabang muncul.
Sehingga kini, tidak ada cara untuk melihat morfologi dan fungsi sinapsis di seluruh otak, jelas penulis. Kami biasanya fokus memetakan titik-titik hubungan penting ini di kawasan kecil.
Dan jika demikian, emulator otak masa depan akhirnya akan menemui pijakan.
Peta sinaptom
Untuk membina sinaptom tetikus, penulis merancang rancangan yang disebut SYNMAP. Mereka bermula dengan tikus yang diubahsuai secara genetik, sinapsinya bersinar dengan warna yang berbeza. Setiap sinaps dipenuhi dengan protein yang berbeza, di antaranya PSD-95 dan SAP102 adalah lelaki yang paling terkenal. Jangan takut dengan nama-nama. Penulis menambahkan protein bercahaya pada mereka, yang bertindak sebagai lampu suluh, menerangi setiap sinaps di otak.
Secara umum, para saintis terlebih dahulu mengubah biologi tikus dengan membuat sinapsisnya bersinar di bawah cahaya pendarfluor.
Mereka kemudian dengan hati-hati mengiris otak menjadi beberapa kepingan, menggunakan mikroskop untuk mengambil gambar sinapsis di kawasan otak yang berlainan, dan menyatukan gambarnya.
Gambar sinaptik mengingatkan mata bintang yang tidak terlatih pada peta bintang yang padat - seperti gambar yang difilemkan oleh Hubble baru-baru ini. Pengkategorian setiap sinaps melampaui kemampuan (dan masa) mana-mana orang, jadi saintis telah menggunakan kaedah klasifikasi baru menggunakan pembelajaran mesin dan mengembangkan algoritma yang menguraikan data ini - lebih dari 10 terabyte - secara automatik, tanpa memerlukan pengawasan.
Sambungan fizikal
Pada mulanya, para saintis dikejutkan dengan "skema ekspresif" sinapsis yang bersinar. Satu protein berlabel - PSD-95 - nampaknya melepak di bahagian otak yang lebih jauh, di mana fungsi kognitif yang lebih tinggi berlaku. Walaupun kawasan bertindih, protein glowing lain lebih memilih kawasan otak dalam.
Setelah diperiksa dengan lebih dekat, ternyata kedua-dua protein yang bercahaya itu mewakili set sinapsis yang berlainan, jelas penulis. Setiap kawasan otak mempunyai ciri "tanda sinaptik." Seperti cap jari, yang berbeza dalam bentuk dan ukuran, kawasan otak yang berlainan nampaknya mengandungi sinapsis yang berbeza dalam komposisi, ukuran dan bilangan protein.
Dengan menggunakan algoritma pembelajaran mesin yang direka khas, para saintis mengklasifikasikan sinaps menjadi 37 subtipe. Hebatnya, wilayah otak yang berkaitan dengan kemampuan berfikir dan berfikir yang lebih tinggi juga mengandung populasi sinapsis yang paling beragam, sementara "kawasan otak reptilia" lebih homogen dalam kandungan sinaptik.
Untuk melihat apakah kepelbagaian sinaps membantu dalam pemprosesan maklumat, para saintis menggunakan simulasi komputer untuk menunjukkan bagaimana sinaps bertindak balas terhadap litar elektrik biasa di hippocampus, kawasan otak yang penting untuk pembelajaran dan ingatan. Hippocampus adalah salah satu kawasan yang menunjukkan kepelbagaian yang luar biasa dalam subtipe sinaps.
Yang penting, setiap jenis pemprosesan maklumat elektrik dihantar ke peta sinaptom yang unik - ubah input, sinaptom akan berubah.
Ini menunjukkan bahawa otak dapat memproses pelbagai maklumat elektrik menggunakan satu kawasan otak kerana sinaptosis berbeza terlibat.
Para saintis menemui hasil yang serupa ketika mereka merekodkan litar elektrik otak tikus yang cuba memilih antara tiga pilihan ganjaran. Pelbagai sinaptom dipecat ketika pilihannya betul atau salah. Seperti peta pemikiran dalaman, sinaptom melukis gambaran jelas mengenai apa yang sedang difikirkan oleh tetikus ketika membuat pilihan.
Setiap tingkah laku mengaktifkan sinaptom yang berasingan. Setiap sinaptom adalah corak proses pemikiran yang unik.
Memprogram semula sinaptom
Seperti kod komputer, sinaptom nampaknya mendasari hasil komputasi - keputusan atau pemikiran. Bagaimana jika saya menukar kod ini?
Penyakit psikiatri sering mempunyai sebab genetik yang mempengaruhi protein dalam sinaps. Dengan menggunakan tikus yang menunjukkan simptom yang serupa dengan skizofrenia atau autisme, para saintis memetakan sinapsis mereka - dan mendapati perubahan dramatik mengenai bagaimana subtipe sinapsis yang berbeza di otak disusun dan dihubungkan.
Sebagai contoh, sebagai tindak balas kepada litar elektrik normal di otak, beberapa peta sinaptik lemah, sementara yang lain menjadi kuat pada tikus mutan. Mutasi dapat mengubah sinaptom dan berpotensi menyebabkan gangguan psikiatri. Iaitu, beberapa penyakit psikiatri "memprogramkan semula" sinaptom. Peta sinaptik yang lebih kuat atau baru boleh menjadi sebab pesakit skizofrenia mengalami khayalan dan halusinasi.
Jadi anda adalah sinaptom anda?
Mungkin. Inti dari anda - kenangan, fikiran - nampaknya dicantumkan dalam bagaimana sinapsis yang berbeza diaktifkan sebagai tindak balas kepada input. Seperti cap jari, sinaptom dapat dibaca untuk menguraikan apa yang anda fikirkan. Walau bagaimanapun, penyelidikan ini hanya permulaan. Ahli sains saraf belum menganalisis hubungan kompleks antara sinaps dan anda.
Ilya Khel
