Stellen Sie sich eine Karte mit jedem Stern in der Galaxie vor. Die Karte ist so detailliert, dass sie zeigt, wie jeder Stern aussieht, woraus er besteht und mit welchem anderen Stern durch die großen Gesetze der Physik des Weltraums verbunden ist. Obwohl wir noch keine solche astronomische Karte des Himmels haben, haben wir dank einer monumentalen Studie, die letzte Woche in Neuron veröffentlicht wurde, eine ähnliche Gehirnkarte.
Wenn jedes Neuron eine Galaxie wäre, wären Synapsen kleine Strukturen, die in Punkten entlang Serpentinenneuronen verstreut sind - dies sind Sterne. Ein Team von Wissenschaftlern der Universität von Edinburgh in Großbritannien hat die erste detaillierte Karte jeder Synapse im Gehirn der Maus erstellt.
Gehirnkarte: der Schlüssel zum Rätsel des Denkens
Mit gentechnisch veränderten Mäusen ließen die Wissenschaftler jede Synapse buchstäblich unter fluoreszierendem Licht im ganzen Gehirn leuchten, wie Sterne am Himmel. Und genau wie sich Sterne voneinander unterscheiden, haben Wissenschaftler festgestellt, dass Synapsen sehr unterschiedlich sind, aber Muster beobachtet werden, die das Gedächtnis und Denken unterstützen können.
Detaillierte Karten zeigten das Grundgesetz der Gehirnaktivität. Mithilfe von maschinellem Lernen hat das Team die rund eine Milliarde Synapsen im gesamten Gehirn in 37 Arten von Synapsen eingeteilt. Hier ist der Punkt: Wenn Neuronensätze elektrische Informationen erhalten, zum Beispiel zwischen verschiedenen Lösungen für ein Problem wählen, funkeln die einzigartigen Subtypen von Synapsen, die zwischen den verschiedenen Neuronen verstreut sind, einstimmig vor Aktivität.
Mit anderen Worten, es gibt verschiedene Arten von Synapsen. Und jeder Typ kann einen Gedanken, eine Entscheidung oder eine Erinnerung steuern.
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Es überrascht nicht, dass Neurowissenschaftler sehr positiv auf die Arbeit reagiert haben.
"Wow", kommentierte Ben Sanders von der University of Minnesota.
Es ist "ein erstaunlicher Artikel, der die Vielfalt und Verteilung von Synapsen-Subtypen im gesamten Gehirn der Maus katalogisiert", schreibt der Neurogenetiker Kevin Mitchell. Dies "unterstreicht die Tatsache, dass Synapsen wichtige Computerelemente des Nervensystems sind."
Verbinden Sie das Connectome
Das Interesse der Wissenschaftler an der Schaffung eines "Synaptoms" - des ersten vollständigen Katalogs von Synapsen im Gehirn der Maus - ergab sich aus einem viel größeren Projekt: dem Connectome.
Kurz gesagt, ein Connectome sind alle neuronalen Verbindungen in Ihnen. Wie Dr. Sebastian Sjung sagt, ist Connectome die biologische Grundlage dafür, wer Sie sind - Ihre Erinnerungen, Ihre Persönlichkeit, Ihre Gedanken und Argumente. Fangen Sie ein Konnektom, und eines Tages können Wissenschaftler Sie rekonstruieren, indem sie ein ganzes Gehirn emulieren.
Und doch beschreibt das Konnektom nur, wie Neuronen funktionell miteinander sprechen. Wo im Gehirn ist es physisch codiert.
Hier kommen Synapsen ins Spiel. Neurowissenschaftler wissen seit langem, dass Synapsen mithilfe von Chemikalien und Elektrizität Informationen zwischen Neuronen übertragen. Es gab auch Hinweise darauf, dass sich die Synapsen in Abhängigkeit von den enthaltenen Proteinen stark unterscheiden, aber diese Unterscheidung wurde normalerweise ignoriert. Bis vor kurzem glaubten die meisten Wissenschaftler, dass echte Berechnungen im Nervenkörper stattfanden - dem bauchigen Teil des Neurons, aus dem die Zweige hervorgehen.
Bisher gab es keine Möglichkeit, die Morphologie und Funktion von Synapsen im gesamten Gehirn zu untersuchen, erklären die Autoren. Wir haben uns normalerweise darauf konzentriert, diese wichtigen Verbindungspunkte in kleinen Bereichen abzubilden.
Und wenn ja, werden zukünftige Gehirnemulatoren endlich Fuß fassen.
Synaptomkarte
Um ein Maussynaptom zu erstellen, entwickelten die Autoren einen Plan namens SYNMAP. Sie begannen mit gentechnisch veränderten Mäusen, deren Synapsen in verschiedenen Farben leuchteten. Jede Synapse ist dicht mit verschiedenen Proteinen gefüllt, unter denen PSD-95 und SAP102 die bekanntesten Herren sind. Lassen Sie sich nicht von den Namen einschüchtern. Die Autoren fügten ihnen leuchtende Proteine hinzu, die als Taschenlampen fungierten und jede Synapse im Gehirn beleuchteten.
Im Allgemeinen veränderten Wissenschaftler zunächst die Biologie der Maus, indem sie ihre Synapsen unter fluoreszierendem Licht zum Leuchten brachten.
Dann schnitten sie das Gehirn sorgfältig in Stücke, machten mit einem Mikroskop Fotos von Synapsen in verschiedenen Regionen des Gehirns und setzten die Bilder zusammen.
Das synaptische Bild erinnert das ungeübte Auge an eine dicht gepackte Sternenkarte - wie die, die Hubble kürzlich gedreht hat. Die Kategorisierung jeder Synapse geht über die Fähigkeiten (und die Zeit) einer Person hinaus. Daher haben Wissenschaftler neue Klassifizierungsmethoden mithilfe des maschinellen Lernens verwendet und einen Algorithmus entwickelt, der diese Daten - mehr als 10 Terabyte - automatisch analysiert, ohne dass eine Überwachung erforderlich ist.
Körperliches Konnektom
Zunächst waren die Wissenschaftler von den "Ausdrucksschemata" der leuchtenden Synapsen beeindruckt. Ein markiertes Protein - PSD-95 - schien sich in den weiter entfernten Teilen des Gehirns aufzuhalten, wo höhere kognitive Funktionen stattfinden. Obwohl sich die Regionen überlappen, hat ein anderes leuchtendes Protein mehr von den Regionen des inneren Gehirns bevorzugt.
Bei näherer Betrachtung stellte sich heraus, dass die beiden leuchtenden Proteine unterschiedliche Synapsengruppen darstellen, erklärten die Autoren. Jeder Bereich des Gehirns hat eine charakteristische "synaptische Signatur". Wie Fingerabdrücke, die sich in Form und Größe unterscheiden, scheinen verschiedene Regionen des Gehirns Synapsen zu enthalten, die sich in Proteinzusammensetzung, Größe und Anzahl unterscheiden.
Mithilfe eines speziell entwickelten Algorithmus für maschinelles Lernen klassifizierten die Wissenschaftler die Synapsen in 37 Subtypen. Bemerkenswerterweise enthielten die Gehirnregionen, die mit höheren Denk- und Denkfähigkeiten verbunden waren, auch die unterschiedlichste Population von Synapsen, während die "Reptilienhirnregionen" einen homogeneren synaptischen Inhalt aufwiesen.
Um festzustellen, ob die Vielfalt der Synapsen bei der Informationsverarbeitung hilft, zeigten die Wissenschaftler mithilfe von Computersimulationen, wie Synapsen auf normale elektrische Schaltkreise im Hippocampus reagieren, einem Bereich des Gehirns, der für Lernen und Gedächtnis wichtig ist. Der Hippocampus ist einer der Bereiche, die eine bemerkenswerte Vielfalt an Synapsen-Subtypen aufweisen.
Wichtig ist, dass jede Art der elektrischen Informationsverarbeitung an eine eindeutige Synaptomkarte übertragen wird. Ändern Sie die Eingabe, das Synaptom ändert sich.
Dies legt nahe, dass das Gehirn mehrere elektrische Informationen in einem Bereich des Gehirns verarbeiten kann, da unterschiedliche Synaptosen beteiligt sind.
Wissenschaftler fanden ähnliche Ergebnisse, als sie elektrische Schaltkreise des Gehirns von Mäusen aufzeichneten, die versuchten, zwischen drei Belohnungsoptionen zu wählen. Verschiedene Synaptome wurden abgefeuert, wenn die Wahl richtig oder falsch war. Wie eine Karte des inneren Denkens zeichneten Synaptome ein lebendiges Bild dessen, was die Maus dachte, als sie eine Wahl traf.
Jedes Verhalten aktiviert ein separates Synaptom. Jedes Synaptom ist eine einzigartige Besetzung des Denkprozesses.
Synaptom neu programmieren
Wie Computercode scheint das Synaptom einem Rechenergebnis zugrunde zu liegen - einer Entscheidung oder einem Gedanken. Was ist, wenn ich diesen Code ändere?
Psychiatrische Erkrankungen haben häufig genetische Ursachen, die sich auf Proteine in der Synapse auswirken. An Mäusen, die ähnliche Symptome wie Schizophrenie oder Autismus zeigten, kartierten die Wissenschaftler ihre Synapsen - und fanden dramatische Veränderungen in der Struktur und Verbindung verschiedener Synapsen-Subtypen im Gehirn.
Beispielsweise waren als Reaktion auf normale elektrische Schaltkreise im Gehirn einige synaptische Karten schwach, während andere bei mutierten Mäusen ungewöhnlich stark wurden. Mutationen können das Synaptom verändern und möglicherweise zu psychiatrischen Störungen führen. Das heißt, einige psychiatrische Erkrankungen "programmieren" das Synaptom neu. Stärkere oder einfach neue synaptische Karten können der Grund dafür sein, dass bei schizophrenen Patienten Wahnvorstellungen und Halluzinationen auftreten.
Du bist also dein Synaptom?
Vielleicht. Die Essenz von dir - Erinnerungen, Gedanken - scheint davon geprägt zu sein, wie verschiedene Synapsen als Reaktion auf Eingaben aktiviert werden. Wie ein Fingerabdruck könnte das Synaptom gelesen werden, um zu entschlüsseln, was Sie denken. Diese Forschung ist jedoch nur der Anfang. Neurowissenschaftler müssen die komplexen Verbindungen zwischen Synapsen und Ihnen noch analysieren.
Ilya Khel
