Die serebrale korteks van soogdiere, wat lank gedink is om 'n digte enkele onderling verwante warboel van neurale netwerke te wees, het eintlik 'n "logiese" onderliggende organisatoriese beginsel, onthul 'n studie wat op 27 Februarie in die joernaal Cell verskyn.
Navorsers het agt afsonderlike neurale subnetwerke geïdentifiseer wat saam die verbindingsinfrastruktuur van die soogdierkorteks vorm, die deel van die brein wat betrokke is by hoër-orde funksies soos kognisie, emosie en bewussyn.
"Hierdie studie is die eerste omvattende kartering van die mees ontwikkelde streek van die soogdierbrein: die serebrale korteks. Die korteks is hoogs kompleks en bestaan uit baie dig onderling-verbonde strukture, maar wanneer jy dit stroop, word dit in 'n klein aantal subnetwerke georganiseer," het senior skrywer Hongwei Dong van die USC Institute for Neuroimaging and Informatics gesê.
Die serebrale korteks is die buitenste laag neurale weefsel in die brein en is een van die breinstrukture wat die meeste bestudeer is in die veld van neurowetenskap. Voor hierdie studie was die onderliggende organisasiebeginsel egter nog grootliks onduidelik.
"Dink daaroor: die brein is gebou vir logika, so sy organisasie moet logies wees. Die brein se argitektoniese organisasie is so gerangskik dat al sy substrukture die doeltreffendste saamwerk om toepaslike gedrag te produseer," het Dong gesê, medeprofessor in neurologie aan die Keck School of Medicine van USC. "Ons wil die kode vind vir hoe die brein struktureel georganiseer is."
Die studie is ook 'n herinnering dat hoewel daar meer data as ooit is, die kwaliteit en betroubaarheid van inligting steeds saak maak. In teenstelling met vorige lapwerkpogings, het Dong en sy span 'n poging onderneem om direk 'n heelbrein-muisatlas van breinpaaie te ontwikkel. Oor die korteks het hulle fluoresserende molekules ingespuit. Hierdie molekules is dan langs die brein se "sellulêre hoofweë" - die neuronale paaie - vervoer en noukeurig nagespoor met 'n hoë-resolusie mikroskoop.
Die eenvormigheid en volledigheid van die wetenskaplikes se poging oor die hele korteks het nie net voorsiening gemaak vir 'n soekbare beelddatabasis van kortikale verbindings, wat die navorsers ooptoegang en publiek beskikbaar stel nie.
Dit het hulle ook in staat gestel om patrone betroubaar te sien: die oënskynlik ondeurgrondelike massa verbindings in die serebrale korteks is hoogs georganiseer, wat bestaan uit agt afsonderlike subnetwerke wat relatief geskei is.
"Die sistematiese en omvattende wyse waarop die data ingesamel is, leen hom tot 'n gedetailleerde ontleding waardeur hierdie subnetwerke ontstaan het," het mede-hoofskrywer Houri Hintiryan van die USC Laboratory of Neuro Imaging verduidelik.
Sodat wetenskaplikes regoor die wêreld kan voortgaan om na fundamentele strukturele insigte te soek, is die volledige, interaktiewe beelddatastel sigbaar by Mouse Connectome Project, wat 'n hulpbron bied vir navorsers wat belangstel om die anatomie en funksie van kortikale netwerke regdeur die brein.
"Dit is regtig nogal vervelig," het Dong gesê oor die insameling van die data, "en arbeidsintensief, en dit vereis hoogs gespesialiseerde vaardighede en tegnologie. Maar dink aan die Menslike Genoomprojek en hoeveel dit die proses van ontdekking en die hele veld toe daar infrastruktuur bestaan het vir mense om te deel en te vergelyk. Dit was ons motivering."
Hoe hierdie subnetwerke interaksie het, sal 'n deurslaggewende basislyn verskaf om siektes van "ontkoppeling" soos outisme en Alzheimer se siekte beter te verstaan, waarin die manifestasies van simptome moontlik die gevolg is van wanordelike of beskadigde verbindings.
Die navorsers se kaart van die muis se serebrale korteks kan vergelyk word met data oor siekte-geaffekteerde breine, brein in ontwikkeling en genetiese inligting. Dit sal ook die nodige konteks bied vir sommige van die besonderhede van menswees, wat net 'n paar duisend jaar gelede net soos ander soogdiere gedra het en wat steeds die mees onderliggende basiese gedragseienskappe soos honger en pyn deel.
"Die fundamentele logika van soogdierbreine is dieselfde, veral wanneer dit kom by basiese gedrag soos eet, slaap en sosiale gedrag," sê Dong, wat opmerk dat soortgelyke studies in mense tot dusver nie by die sellulêre vlak. "Daar is baie organiseringsbeginsels vir breinstrukture wat ons net begin verstaan."
Die navorsers het die breinsubnetwerke geïdentifiseer op grond van hul hoë graad van interkonnektiwiteit – hoewel relatief onafhanklik, verskaf verskeie strukture kommunikasieroetes waardeur die subnetwerke interaksie het. Gekombineer met gedragsdata van vorige navorsing en inligting oor subkortikale teikens, impliseer hierdie interkonneksies merkwaardige funksionele betekenis vir die subnetwerke.
Vier van die agt geïdentifiseerde subnetwerke in die muis korteks hou verband met sensasie en beweging van die liggaam, wat die navorsers noem somatiese sensorimotoriese. Die navorsers het veral aparte subnetwerke vir bewegings in die gesig, boonste ledemate, onderste ledemate en romp, en snorbaarde geïdentifiseer. Saam fasiliteer hierdie netwerke motoriese gedrag soos eet en drink, reik en gryp, voortbeweeg en verkenning van die omgewing.
Twee ander subnetwerke bestaan uit strukture wat langs die middellyn van die serebrale korteks geleë is. Hierdie mediale subnetwerke blyk gewy aan die integrasie van visuele, ouditiewe en somatiese sensoriese inligting, volgens die studie. Verskeie ander strukture wat langs die kant van die brein geleë is, vorm twee laterale subnetwerke, waarvan een moontlik dien om die interne status van die liggaam te reguleer (bv.e. smaak, honger, viscerale inligting) en die ander as 'n "mega-integrasie" subnetwerk wat die interaksie van inligting van byna die hele korteks moontlik maak.
