Stel je een kaart voor met elke ster in de melkweg. De kaart is zo gedetailleerd dat hij laat zien hoe elke ster eruit ziet, waaruit hij bestaat, met welke andere ster verbonden is door de grote wetten van de fysica van de ruimte. Hoewel we nog niet zo'n astronomische kaart van de hemel hebben, dankzij een monumentale studie die vorige week in Neuron is gepubliceerd, hebben we een vergelijkbare hersenkaart.
Als elk neuron een melkwegstelsel was, zijn synapsen kleine structuren die in stippen langs serpentiene neuronen zijn verspreid - dit zijn sterren. Een team van wetenschappers van de Universiteit van Edinburgh in het VK heeft de eerste gedetailleerde kaart van elke synaps in het muizenbrein gemaakt.
Brain map: de sleutel tot de puzzel van het denken
Met behulp van genetisch gemodificeerde muizen lieten de wetenschappers elke synaps letterlijk overal in de hersenen oplichten onder fluorescerend licht, als sterren aan de hemel. En, net zoals sterren van elkaar verschillen, hebben wetenschappers ontdekt dat synapsen erg divers zijn, maar er zijn patronen die geheugen en denken kunnen ondersteunen.
Gedetailleerde kaarten toonden de fundamentele wet van hersenactiviteit. Met behulp van machine learning heeft het team de ongeveer een miljard synapsen in de hersenen onderverdeeld in 37 soorten synapsen. Hier is het punt: wanneer sets neuronen elektrische informatie ontvangen, bijvoorbeeld door te kiezen tussen verschillende oplossingen voor een probleem, fonkelen de unieke subtypes van synapsen die over verschillende neuronen zijn verspreid unaniem van activiteit.
Met andere woorden, synapsen zijn van verschillende typen. En elk type kan een gedachte, beslissing of herinnering beheersen.
Promotie video:
Het is niet verwonderlijk dat neurowetenschappers zeer positief op het werk hebben gereageerd.
"Wauw," zei Ben Sanders van de Universiteit van Minnesota.
Het is "een verbazingwekkend artikel dat de diversiteit en distributie van synaps-subtypen in de hersenen van muizen catalogiseert", schrijft neurogeneticus Kevin Mitchell. Dit "onderstreept het feit dat synapsen de belangrijkste computerelementen van het zenuwstelsel zijn."
Verbind de connectoom
De belangstelling van wetenschappers voor het creëren van een "synaptoom" - de eerste volledige catalogus van synapsen in het muizenbrein - vloeide voort uit een veel groter project: het connectoom.
Kortom, een connectoom is alle neurale verbindingen in jou. Zoals dr. Sebastian Sjung zegt, is connectoom de biologische basis van wie je bent - je herinneringen, je persoonlijkheid, je gedachten en redeneringen. Vang een connectoom en op een dag zullen wetenschappers je kunnen reconstrueren door een heel brein na te bootsen.
En toch beschrijft het connectoom alleen hoe neuronen functioneel met elkaar praten. Waar in de hersenen is het fysiek gecodeerd.
Dit is waar synapsen in het spel komen. Neurowetenschappers weten al lang dat synapsen informatie tussen neuronen uitwisselen met behulp van chemicaliën en elektriciteit. Er zijn ook aanwijzingen dat synapsen sterk verschillen, afhankelijk van de eiwitten die ze bevatten, maar dit onderscheid wordt meestal genegeerd. Tot voor kort dachten de meeste wetenschappers dat echte berekeningen plaatsvonden in het neurale lichaam - het bolvormige deel van het neuron waaruit de takken tevoorschijn komen.
Tot nu toe was er geen manier om naar de morfologie en functie van synapsen in de hersenen te kijken, leggen de auteurs uit. We hebben ons meestal gericht op het in kaart brengen van deze belangrijke verbindingspunten in kleine gebieden.
En als dat zo is, zullen toekomstige hersenemulators eindelijk voet aan de grond krijgen.
Synaptome kaart
Om een muissynaptoom te bouwen, bedachten de auteurs een plan genaamd SYNMAP. Ze begonnen met genetisch gemodificeerde muizen, waarvan de synapsen gloeiden met verschillende kleuren. Elke synaps is dicht opeengepakt met verschillende eiwitten, waaronder PSD-95 en SAP102 zijn de bekendste heren. Laat je niet intimideren door de namen. De auteurs voegden er gloeiende eiwitten aan toe, die als zaklampen fungeerden en elke synaps in de hersenen verlichtten.
Over het algemeen veranderden wetenschappers eerst de biologie van de muis door de synapsen ervan te laten gloeien onder fluorescerend licht.
Vervolgens sneden ze de hersenen nauwgezet in stukjes, gebruikten een microscoop om foto's te maken van synapsen in verschillende hersengebieden en plaatsten ze de foto's bij elkaar.
De synaptische afbeelding doet het ongetrainde oog denken aan een dicht opeengepakte sterrenkaart - zoals die die Hubble onlangs filmde. De categorisatie van elke synaps gaat verder dan het vermogen (en de timing) van een persoon, dus hebben wetenschappers nieuwe classificatiemethoden gebruikt met behulp van machine learning en een algoritme ontwikkeld dat deze gegevens - meer dan 10 terabytes - automatisch parseert, zonder dat er toezicht nodig is.
Fysiek connectoom
In eerste instantie werden wetenschappers getroffen door de "expressieve schema's" van de glanzende synapsen. Een gelabeld eiwit - PSD-95 - leek rond te hangen in de verder afgelegen delen van de hersenen, waar hogere cognitieve functies plaatsvinden. Hoewel de regio's elkaar overlappen, heeft een ander gloeiend eiwit de voorkeur gegeven aan meer van de binnenste hersengebieden.
Bij nader inzien bleek dat de twee gloeiende eiwitten verschillende sets synapsen vertegenwoordigen, legden de auteurs uit. Elk gebied van de hersenen heeft een karakteristieke "synaptische signatuur". Net als vingerafdrukken, die verschillen in vorm en grootte, lijken verschillende hersengebieden synapsen te bevatten die verschillen in eiwitsamenstelling, grootte en aantal.
Met behulp van een speciaal ontworpen algoritme voor machine learning classificeerden de wetenschappers de synapsen in 37 subtypen. Opmerkelijk is dat de hersengebieden die geassocieerd zijn met hogere redeneer- en denkvermogens ook de meest diverse populatie synapsen bevatten, terwijl de "reptielen hersengebieden" homogener waren in synaptische inhoud.
Om te zien of de diversiteit van synapsen helpt bij informatieverwerking, gebruikten wetenschappers computersimulaties om te laten zien hoe synapsen reageren op normale elektrische circuits in de hippocampus, een gebied van de hersenen dat belangrijk is voor leren en geheugen. De hippocampus is een van de gebieden met een opvallende diversiteit in synaps-subtypen.
Belangrijk is dat elk type elektrische informatieverwerking wordt verzonden naar een unieke synaptoomkaart - verander de invoer, de synaptoom zal veranderen.
Dit suggereert dat de hersenen meerdere elektrische informatie kunnen verwerken met behulp van één gebied van de hersenen, omdat er verschillende synaptosen bij betrokken zijn.
Wetenschappers vonden vergelijkbare resultaten toen ze elektrische circuits van de hersenen van muizen opnamen die probeerden te kiezen tussen drie beloningsopties. Verschillende synaptomen werden afgevuurd als de keuze goed of fout was. Als een kaart van innerlijk denken, schilderden synaptomen een levendig beeld van wat de muis dacht bij het maken van een keuze.
Elk gedrag activeert een apart synaptoom. Elke synaptoom is een unieke vorm van het denkproces.
Herprogrammering van de synaptoom
Net als computercode lijkt het synaptoom ten grondslag te liggen aan een computationeel resultaat - een beslissing of een gedachte. Wat moet ik doen als ik deze code verander?
Psychiatrische aandoeningen hebben vaak genetische oorzaken die eiwitten in de synaps aantasten. Met behulp van muizen die symptomen vertoonden die vergelijkbaar waren met schizofrenie of autisme, brachten de wetenschappers hun synapsen in kaart - en ontdekten ze dramatische veranderingen in de manier waarop verschillende subtypes van synapsen in de hersenen zijn gestructureerd en verbonden.
Als reactie op normale elektrische circuits in de hersenen waren bijvoorbeeld sommige synaptische kaarten zwak, terwijl andere abnormaal sterk werden bij mutante muizen. Mutaties kunnen het synaptoom veranderen en mogelijk leiden tot psychiatrische stoornissen. Dat wil zeggen, sommige psychiatrische ziekten 'herprogrammeren' het synaptoom. Sterkere of eenvoudigweg nieuwe synaptische kaarten kunnen de reden zijn dat schizofrene patiënten waanvoorstellingen en hallucinaties ervaren.
Dus jij bent je synaptoom?
Kan zijn. De essentie van jou - herinneringen, gedachten - lijkt te zijn ingeprent in hoe verschillende synapsen worden geactiveerd als reactie op input. Net als een vingerafdruk kan de synaptoom worden gelezen om te ontcijferen wat u denkt. Dit onderzoek is echter nog maar het begin. Neurowetenschappers moeten de complexe verbanden tussen synapsen en jou nog analyseren.
Ilya Khel
