中国の科学者が率いる国際チームが、これまでで最も完全なマカクザル皮質の地図帳を構築した。 脳の最外層である皮質には、私たちが大切にしている認知機能の多くが収められています。つまり、推論し、決定を下し、刻々と変化する環境に臨機応変に適応する能力です。

他の動物と比較して、ヒトを含む霊長類は大幅に拡大した皮質を持っています。 科学者は長い間、この進化の特異性が私たちの脳に複雑な計算を管理する能力を与えていると考えてきました。

しかし、どのように？

その秘密は、皮質の多くの細胞の種類とその組織の仕方に隠されている可能性があります。 生物学における重要なテーマは「構造が機能を決定する」です。 コンピューターをゼロから構築するのと同じように、各コンポーネントとその配置、配線によってパフォーマンスが変化する可能性があります。

サルの皮質のすべての細胞の正確な位置をカタログ化することは、霊長類の皮質を計算能力の高いものにする規則を解読し、おそらくデジタルで再現するのに役立つ可能性がある。

研究、 公表 in セル、脳マッピングのための比較的新しいツールも利用しました。 呼ばれた ステレオシーケンス、 この技術は、複数の細胞から遺伝情報 (トランスクリプトーム) を一度に抽出し、各細胞の位置に新しいデータ層を追加します。

研究チームは、約500個の遺伝子の活動を記録することにより、各細胞の分子フィンガープリントを作成した。 その後、大量の AI のおかげで、1.5 の領域から約 143 万個の細胞を異なる細胞タイプに分類し、皮質内のそれらの位置をマッピングしました。

このプロジェクトではすでにいくつかの洞察が得られています。 脳細胞は集団で活動する傾向があります。 一部のタイプは特定の他の細胞との付き合いを好み、それらが局所的な神経ネットワークを形成していることを示唆しています。 脳全体の活動を増加または抑制するニューロンにも優先スポットがあり、その数は皮質領域と深さの間で変化します。

また、マウスの脳アトラスと比較すると、新しいマップでは、霊長類に特有のいくつかの細胞タイプが皮質の XNUMX つの層に集まっていることがわかりました。

「脳の細胞構成とその空間分布は脳科学の基本的な問題であり、その重要性はヒトゲノム解読によって発見されたDNAの塩基配列と同様です。」 と 研究著者、中国科学院のChengyu Li博士。 サルの大脳皮質は私たちの大脳皮質に似ており、この研究はこの種のものとしては最も完全な地図を提供します。

謎のニューラルケーキ

皮質は、さまざまな種類のニューロンやその他の脳細胞が詰まった精巧な XNUMX 層構造です。

通常、ショーの主役はニューロンです。電気的に活性化されたこれらの細胞は、ニューラル ネットワークに接続して情報を処理します。 XNUMX つの主なタイプは、脳の全体的な活動レベルのバランスをとるのに役立ちます。 グルタミン酸作動性細胞は興奮性で、脳の計算能力を高めます。 GABA作動性細胞は抑制性であり、ネットワーク活動を低下させます。

非神経細胞が全体像を完成させます。 脳を感染症から保護するのに役立つものもあります。 他のものは神経代謝をサポートし、分子廃棄物を浄化します。 これらは脇役ではありません。最近の研究では、それらが発生初期の神経ネットワークの形成やアルツハイマー病のような神経変性疾患との闘いにおいて重要な役割を果たしていることが示されています。

新しい研究は主にこれらの脳細胞に焦点を当てた。

スライスとダイシング

研究チームは、XNUMX頭の成体雄マカクザルの脳を分析した。 細胞の数が XNUMX 億を超える彼らの脳は、進化的には私たちの脳に近いものです。

まず、チームは専門家によるいくつかのカットを使用して、脳を前から後ろに注意深くスライスしました。 プリンター用紙ほどの厚さの XNUMX 枚が、各細胞の遺伝子プロファイルの配列を決定するために使用されました。

空間的完全性を維持するために厚いブロックに隣接する他のスライスはさらに薄くなりました。 研究チームは、これらの半分に、ニューロンの外側に点在するタンパク質を捕捉する暗闇で光る色素を追加した。 このステップにより、皮質内の明確な解剖学的位置を簡単に特定できるようになります。

超薄スライスの XNUMX 番目のバッチでは、新しい Stereo-seq ツールを使用して遺伝子データが抽出されました。 このステップはデジタル カメラのように機能すると考えてください。ただし、ピクセルをキャプチャする代わりに、各細胞からメッセンジャー RNA (mRNA) の形式で遺伝子発現データをキャプチャします。 結果として得られる「トランスクリプトーム」は、任意の細胞のあらゆる瞬間におけるすべての活性遺伝子のスナップショットです。

ここでの目標は、各細胞の物理的な位置に関する情報を維持しながら、各細胞のトランスクリプトームを画像化することです。 カメラセンサーと同様に、このプロセスはスタンプ XNUMX つほどの大きさのシリコン チップから始まります。 新たに設計されたチップは、パノラマ モードの携帯電話のように、以前のバージョンよりもはるかに広い視野を備えており、より大きな脳領域のスキャンが容易になります。

各チップ上には、mRNA を掴むための DNA ナノボールの 2D アレイが点在しています。 研究チームがトランスクリプトームのフィンガープリントをその宿主と照合できるように、細胞膜を色素で染色した。

研究チームは、複数の AI アルゴリズムを使用して、これらすべてのデータセットをマカクザルの皮質の世界初の XNUMX 次元単一細胞アトラスにマッシュアップしました。 各細胞タイプは、細胞が皮質全体でどのように異なるかを示す XNUMX レベルの分類とともに、マップで詳細に説明されています。

たとえば、皮質の第 XNUMX 層と第 XNUMX 層にある一種の興奮性ニューロンは、脳内でストレス信号を伝達するための「マスターレギュレーター」遺伝子を発現します。 脳の XNUMX つの主要細胞 (グルタミン酸細胞、GABA 細胞、および非ニューロン細胞) はすべて皮質の構造階層と相関しており、一部の細胞はその領域および深さ全体にさらに豊富に存在します。

進化のためのリソース

霊長類では皮質が大幅に拡大し、高次の認知の座とみなされることが多い。 別の分析で、研究チームはサルの脳マップを既存の脳マップと比較した。 マウス および 人間 霊長類に特有の新しい細胞型を発掘するためのアトラス。

この検査により、マウスには存在しない霊長類の皮質の第XNUMX層にある興奮性細胞のグループが特定された。 これらの細胞は、以前は言語、脳の発達、自閉症に関連していた遺伝子を持つ脳の前部（高度な認知をサポートする領域）に高度に集中していた。

チームはこのリソースを誰でも無料で利用できるようにしました。 これは、構造がどのようにして知能につながるのか、そして神経疾患において脳がいつ、なぜ、どのように吃音するのかという長年の疑問に取り組むためのデータの宝庫です。 Xun Xu博士は、この結果は「脳からインスピレーションを得た知能やブレイン・コンピューター・インターフェースなど、脳科学の分野におけるブレークスルーを促進する可能性がある」と述べた。

データセットはすべてオープンソースです。 それで遊びます こちら.

画像のクレジット： サルの空間トランスクリプトミクス アトラス / BGI

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• 情報源： https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/