Приматов обычно считают умнее мышей. Но в результате удивительного открытия исследователи нейробиологии из Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории обнаружили, что у мышей на самом деле больше синапсов, соединяющих нейроны в их мозгу.
В исследовании, сравнивающем мозг макак и мышей на синаптическом уровне, исследователи обнаружили, что у приматов было гораздо меньше синапсов на нейрон по сравнению с грызунами, как в возбуждающих, так и в тормозных нейронах в слое 2/3 первичной зрительной коры. Используя моделирование искусственной рекуррентной нейронной сети, команда смогла определить, что метаболические затраты на создание и поддержание синапсов, вероятно, приводят к тому, что более крупные нейронные сети становятся более разреженными, как это было у приматов по сравнению с нейронами мыши. Результаты были опубликованы 14 сентября в Cell Reports.
Исследовательская группа, состоящая из ученых из лабораторий Дэвида Фридмана, доктора философии, в Чикаго, и Нараянана «Бобби» Кастури, доктора медицины, в Аргоннской национальной лаборатории, использовала последние достижения в электронной микроскопии , а также существующие общедоступные данные. наборы, чтобы сравнить возможность соединения у обоих видов. Они решили исследовать как возбуждающие, так и тормозные синапсы, поскольку большинство предыдущих исследований было сосредоточено только на возбуждающих синапсах . Сосредоточение внимания на нейронах слоя 2/3 в первичной зрительной коре взрослого человека облегчило сравнение между видами, поскольку эти нейроны имеют различную морфологию, схожую как у приматов, так и у мышей.
После реконструкции микроскопических изображений и измерения формы 107 нейронов макака и 81 нейрона мыши исследователи идентифицировали почти 6000 синапсов в образцах макак и более 9700 синапсов в образцах мышей. При сравнении наборов данных они обнаружили, что нейроны приматов получают в два-пять раз меньше возбуждающих и тормозных синаптических связей, чем аналогичные нейроны мыши.
«Причина, по которой это удивительно, заключается в том, что среди нейробиологов и, я думаю, людей в целом существует такое тихое предположение, что наличие большего количества нейронных связей означает, что вы умнее», - сказал Грегг Уилденберг, доктор философии, сотрудник ученый в лаборатории Кастури. «Эта работа ясно показывает, что, хотя в мозгу приматов в целом больше связей, потому что там больше нейронов, если вы посмотрите на нейронную основу, у приматов на самом деле меньше синапсов. Но мы знаем, что нейроны приматов могут выполнять вычисления, которые мышь нейроны не могут. Это поднимает интересные вопросы, например, каковы последствия построения более крупной нейронной сети, подобной той, что наблюдается у приматов? "
Обнаружив это удивительное открытие, Вильденберг связался с Мэттом Розеном, аспирантом Лаборатории Фридмана, надеясь, что Розен сможет использовать свои вычислительные навыки для лучшего понимания расхождения в количестве синапсов и его возможной причины.
«Мы всегда ожидали, что плотность синапсов у приматов будет аналогична плотности синапсов у грызунов или, возможно, даже выше, потому что в мозгу приматов больше места и больше нейронов», - сказал Розен. «В свете удивительного открытия Грегга мы подумали о том, почему нейроны приматов создают меньше связей, чем ожидалось. И мы подумали, что, возможно, это было вызвано эволюционными силами - что, возможно, энергетические затраты, связанные с поддержанием мозга, могут быть движущей силой этой разницы. мы разработали модели искусственных нейронных сетей и обучили их выполнять задачи, одновременно задавая им ограничения, вдохновленные метаболическими затратами, с которыми сталкивается реальный мозг, чтобы увидеть, как это влияет на связность, возникающую в результирующих сетях ».
При моделировании учитывались две возможные метаболические затраты: стоимость отдельных электрических сигналов, посылаемых нейронами, называемых потенциалами действия, которые очень дороги с энергетической точки зрения, и стоимость создания и поддержания синапсов между различными клетками. Они обнаружили, что по мере увеличения числа нейронов в сети растущие метаболические ограничения затрудняют создание и поддержание связей между клетками, что приводит к снижению плотности синапсов.
«Мозг составляет всего около 2,5% от общей массы нашего тела, но требует около 20% всей энергии тела», - сказал Вильденберг. «Это очень дорогостоящий орган. Считается, что большая часть этой энергии тратится на синапсы, как на энергию для связи через синапсы, так и на их создание и поддержание. По мере того, как мозг становится больше, с большим количеством нейронов появляется метаболически говоря, скорее всего, это будет компромисс ».
По словам исследователей, полученные результаты помогут в будущих исследованиях как на приматах, так и на мышах, а также в сравнениях между ними. «По сути, я думаю, что все нейробиологи хотят понять, что делает нас людьми - что отличает нас от других приматов и мышей», - сказал Вилденберг. «Мы работаем над коннектомикой, которая сосредоточена на понимании нейроанатомии на уровне индивидуальных связей. До этого не было хорошо описано, есть ли различия на уровне связей, которые могли бы дать нам ключ к пониманию того, как строится эволюция. различные виды мозга. Каждый мозг - это нейроны, и каждый нейрон соединяется с другими нейронами и общается с ними.стереотипным образом. Как эволюция работает в рамках этих ограничений, создавая разные типы мозга? Вы должны изучить мышей, приматов и множество других видов, чтобы по-настоящему понять, что здесь происходит ».
Розен также отмечает, что понимание различий между видами может помочь прояснить общие принципы работы мозга, чтобы лучше понять поведение. «Сравнительный подход позволяет нам тщательно обдумать анатомию мозга в контексте конкретного поведения организма», - сказал он. "Никто не обращается с мышью и приматом одинаково; они ведут себя по-разному. Эти фундаментальные наблюдения анатомических различий между ними могут позволить нам выделить общие принципы, которые можно применять для разных видов, а также то, что является уникальным для каждого животного. . "
Например, понимание синаптической плотности - и, в частности, соотношения возбуждающих и тормозящих синапсов - может помочь в исследованиях неврологических состояний, таких как болезнь Паркинсона и аутизм. «Если мы измеряем только соотношение возбуждения и торможения у мышей и предположим, что оно одинаково для всех видов, как это повлияет на наше понимание болезни?» - сказал Вильденберг. «Мы обнаружили различия в соотношении возбуждающего / тормозящего действия у приматов и мышей; каковы последствия того, как мы переносим эти модели на людей?»
Будущие исследования будут включать изучение аналогичных вопросов во время развития мозга , работу над пониманием того, как количество и плотность синапсов влияют на сеть с течением времени и чем это развитие различается у мышей и приматов.
