Группа ученых из Эдинбургского университета в Великобритании построила первую подробную карту каждого синапса в мозге мыши.
Используя генетически модифицированных мышей, ученые заставляли каждый синапс загораться под флуоресцентным светом по всему мозгу.
С помощью машины команда ученых разделила примерно один миллиард синапсов по всему мозгу на 37 категорий по типу. Выбирая между различными решениями проблемы, уникальные подтипы синапсов, разбросанные среди разных нейронов, единодушно искрятся активностью.
Интерес ученых в создании «синаптомы» — первого цельного каталога синапсов в мозге мыши — вышел из гораздо большего проекта: коннектомы.
Коннектома — это все нейронные соединения внутри тела.
Коннектома как нейроны функционально разговаривают друг с другом. Где в мозге это закодировано физически.
Нейробиологам давно известно, что синапсы передают информацию между нейронами, используя химические вещества и электричество. Были также намеки на то, что синапсы сильно разнятся в зависимости от белков, которые содержат, но это различие обыкновенно игнорировали. До недавних пор, большинство ученых считали, что реальные расчеты происходят в нейронном теле — луковичной части нейрона, из которого выходят ответвления.
До сих пор не было никакого способа взглянуть на морфологию и функцию синапсов по всему мозгу, объясняют авторы работы. Обычно мы были сосредоточены на сопоставлении этих важных точек соединения в небольших областях.
И если да, будущие эмуляторы мозга найдут, наконец, точку опоры.
Чтобы построить синаптому мыши, авторы разработали план под названием SYNMAP. Они начали с генетически модифицированных мышей, у которых синапсы светились разными цветами. Каждый синапс плотно укомплектован разными белками, среди которых PSD-95 и SAP102 — самые известные господа. Не пугайтесь названий. Авторы добавили к ним светящиеся белки, которые выступали в роли фонариков, подсвечивающих каждый синапс в мозгу.
Сначала ученые изменили биологию мыши, заставив ее синапсы светиться под флуоресцентным светом.
Затем они нарезали мозг на кусочки, использовали микроскоп для съемки синапсов в разных областях мозга и собрали фотографии вместе.
Категоризация каждого синапса выходит за рамки способностей (и времени) любого человека, поэтому ученые использовали новые методы классификации при помощи машины.
Один помеченный белок — PSD-95 был в более удаленных от центра частях мозга, где протекают высшие когнитивные функции. Хотя области перекрываются, другой светящийся белок предпочел больше внутренних областей мозга.
Выяснилось, что два светящихся белка представляют разные наборы синапсов, объяснили авторы. Каждая область мозга имеет характерную «сигнатуру синаптомы». Подобно отпечаткам пальцев, которые отличаются формой и размером, разные области мозга, похоже, содержат синапсы, отличающиеся по составу белка, размеру и численности.
Используя специально разработанный алгоритм, ученые классифицировали синапсы на 37 подтипов. Что примечательно, области мозга, связанные с более высокими способностями рассуждения и мышления, также содержали самую разнообразную популяцию синапсов, в то время как «области мозга рептилий», были более однородными в содержании синапсов.
Чтобы увидеть, помогает ли разнообразие синапсов в обработке информации, ученые применили компьютерное моделирование, показывающее, как синапсы отвечают на обычные электрические схемы в гиппокампе — области мозга, важной для обучения и памяти. Гиппокамп — это одна из областей, которые демонстрируют поразительное разнообразие в подтипах синапсов.
Что важно, каждый тип обработки электрической информации передается в уникальную карту синаптомы — измените ввод, изменится синаптома.
Это предполагает, что мозг может обрабатывать множественную электрическую информацию, используя одну область мозга, потому что задействуются различные синаптомы.
Ученые обнаружили аналогичные результаты, когда записывали электрические схемы мозга мышей, пытающихся выбрать между тремя вариантами награды. Различные синаптомы зажигались, когда выбор был правильным или неправильным. Подобно карте внутреннего мышления, синаптомы рисовала яркую картину того, о чем думала мышь, делая выбор.
Каждое поведение активирует отдельную синаптому. Каждая синаптома — это уникальный слепок мыслительного процесса.
Как и компьютерный код, синаптома, по всей видимости, лежит в основе вычислительного результата — решения или мысли. Что, если изменить этот код?
Психиатрические заболевания зачастую имеют генетические причины, влияющие на белки в синапсе. Используя мышей, которые демонстрировали симптомы, схожие с шизофренией или аутизмом, ученые составили карты их синаптом — и обнаружили кардинальные изменения в том, как структурируются и соединяются различные подтипы синапсов в мозге.
Например, в ответ на обычные электрические схемы мозга, некоторые синаптические карты проявлялись слабо, другие же становились аномально сильными у мутантных мышей. Мутации могут менять синаптому и потенциально ведут к психиатрическим расстройствам. То есть, некоторые психиатрические заболевания «перепрограммируют» синаптому. Более сильные или просто новые карты синаптомы могут быть причиной того, что пациенты с шизофренией испытывают заблуждения и галлюцинации.