2018: neuroteaduste aasta kergelt segane ülevaade

Aeg õpikute taskulambiks

Tere tulemast The Spike'i aasta neuroteaduste aasta kolmandasse ülevaatesse. Oleme teinud selle 2018. aasta lõpuni. Kes seda tulekut nägi?

Mis tähendab, et on aeg teha ülevaade ja imetleda suuri edusamme, mida oleme sel aastal aju mõistmisel teinud. Pfft. Seal tehtud. Tegeliku ülevaate jaoks on sel aastal proov kolmest kaunist või provokatiivsest teosest, mis näitab, et mõistame vähem, kui arvasime.

1 / Neuronid “edastavad” RNA-d

Jaanuar algas pauguga: Jason Shepherd ja tema meeskond avaldasid paberi, mis näitas, et Messenger RNA (mRNA) edastatakse neuronite vahel. Ütlen kohe, et molekulaarbioloogia pole üks minu tugevusi. Kuid siis ei elevandiga žongleerimine ja proovisin seda kuradi head proovimist kuni songani. Ja järeldused selles artiklis on nii võõrad, et kui te sellest siis ilma jäite, peate sellest teadma.

Kõik algab Arc geenist ja valgust, mida see kodeerib. Me teame, et kaar on õppimiseks vajalik. Kustutage Arc geen hiirtelt ja õppimine on kruvitud. Kaare geen kuvatakse nendel suurtel õppimis- ja arenguhäiretega seotud geenide püügiekspeditsioonidel. Ja ükskord teame isegi midagi kaarevalgu toimimisest - see on kaasatud sünapside ehitamisse, võimalusel viies AMPA retseptorid oma kohale.

Siiani, nii geneetika. Arc geeni loeb Arc mRNA string, mis omakorda määratleb Arc valgu ja Arc valk muudab sünapsid. Palju mehhanismi, kuid funktsiooni pole. See, et sünapsit mõjutava geeniga pilkamine mõjutab omakorda õppimist, on natuke mõistusevastane. Me teame juba palju, millal ja miks neuronite vahelised sünapsid nõrgemaks või tugevamaks muutuvad; Selle geeni-valgu raja tundmine annab meile parema arusaamise sellest, kuidas sünapsid tugevamaks või nõrgemaks muutuvad, kuid ei ütle meile täpsemalt, miks ja millal. Süsteemneuroteadlastena saame voodist välja vaid millegi pärast, mis räägib meile sellest, kuidas neuronid omavahel räägivad.

Selgub, et neuronid saavad Arci abil omavahel rääkida. Ma olen nüüd voodist väljas.

Lambakoerte labori jaanuarikuu paberist selgus, et kaarevalk teeb viirusesarnast kesta ja selle koore sisse on mähitud Arci enda mRNA - mRNA, mis kodeerib valku ise. Seejärel lükatakse see kest omakorda sellisesse kotti - vesiikulisse, mida neuronid kasutavad sünapside ajal üksteisele kraami edastamiseks. Välja arvatud see, et seda tüüpi vesiikulit ei vabastata sünapsil, vabastatakse see lihtsalt sellest, kuhu neuroni nahal tekkis.

Lambakoerte labori silmitsi seisnud suur küsimus oli järgmine: kui see kott, mis sisaldab natuke Arci mRNA-d, vabaneb väljaspool neuronit, kas see võetakse teistesse neuronitesse? Ja kui see võetakse kasutusele, mida see siis teeb? Nad lahendasid selle tõeliselt elegantselt. Võtke tassi hunnik neuroneid, millel pole kaari, kuna see on ära tüüdanud. Seejärel viska sellesse nõusse mõned neist Arc mRNA-ga täidetud kottidest, spetsiaalsed, mida on muudetud hõõguma. Ja jälgige: kas hõõguvad kotid satuvad neuronitesse? Jah, nad tegid.

Ja siis, kui lambakoera meeskond vaatas neid kaarvabu neuroneid, mis olid nüüd hõõguvate kottidega täidetud, ja leidis tohutul hulgal Arka valku. MRNA oli üles võetud ja sellest toodetud valgud.

Selle töö tagajärjed võivad olla tohutud. Esiteks on meil olemas jahmatavad tõendid neuronite vahelise mittekanoonilise ülekande kohta. Kuid veelgi olulisem on see, mis edastati: see on neuron, mis saadab retsepti, kuidas valku teise neuroni ehitada. Valk, mis osaleb tugevalt õppimise kontrollimises. Nüüd on meil tõendeid selle kohta, et sisemised juhised ühe neuroni sünapsi muutmiseks võib saata teistele lähedalasuvatele neuronitele ja potentsiaalselt muuta ka neid. Arusaamine, kuidas neuronid õpivad, muutus lihtsalt palju keerukamaks.

Oh, ja sama asi juhtub ka kärbestega.

2 / Kes valvab inimesi?

Ütle, et ma olin tüütu isa, kes jagas aeg-ajalt tüütut mängu ühekaupa maiustusi enda lõbustamiseks. Mul on kokku segatud kauss maiustusi ja viinamarju ning 5-aastane, kes tahaks väga magusat, tegelikult issi. Nii et mäng kulgeb järgmiselt - vaatan kaussi, võtan midagi välja ja näitan ärritunud lapsele. Vasaku käega võtan ja näitan alati viinamarja, parema käega šokolaadi; Ma kordan seda valimist ja kuvamist paar korda, et sõnum koju kätte saada. Siis valin igast rusikast ühe eseme, et nad ei näeks, ja palun mu 5-aastasel lapsel valida avatav käsi. Millise nad valiksid? Parempoolne, jah?

Aga kui ma paneksin mõlemad käed kaussi vaatamata, siis mida nad valiksid? Kui mu 5-aastane mõistis, kuidas maailm töötab, siis nüüd teavad nad, et ma ei saanud näha seda, mille valisin - seega peaksid nad juhuslikult käe valima. Või karjuge muumia pärast, et issi saaks selles idiootlikus mängus kaasa pakkida.

Käe valimiseks vajab 5-aastane inimene päris põhjalikke teadmisi selle kohta, mida teised teavad - maailmamudelit, mis sisaldab järeldusi selle kohta, mida teised ise maailma kohta teavad.

Johanna Eckerti ja tema kolleegide tänavune töö näitas, et šimpansidel on täpselt need teadmised - inimeste kohta.

Iga šimpans pidi tegelema kahe sellise tüütu inimesega. Vaatluse all oli kaks ämbrit, mõlemad porgandi- ja maapähklisegud; üks raske porganditel, üks raske maapähklitel. Ämbrid olid läbipaistvad, nii et šimpansil oli näha, milline oli porgandist raske ja milline maapähkel. Inimesed valisid teadlikult haruldased võimalused: Inimene 1 korjas porgandi-raskest ämbrist maapähkleid; Inimene 2 korjas maapähkli-ämbrist porgandeid. Igaüks näitas neid kirjusid šimpansile.

Pärast seda paar korda näitamist ja arvatavasti siis, kui šimpans neist tüütutest inimestest ja nende tüütust mängust tüdines, tuli proovile. Mõnedel katsetel vaatasid inimesed korjamist ämbrisse. Muudel katsetel ei olnud neil ämbrit näha ja nad valisid pimesi. Šimpans nägi seda kõike. Igal katsel pakuti mõlemat rusikat ja paluti valida üks. Millise ta valis?

Pinge on siin šimpansi teadmiste, mis on ämbrites, ja teadmiste vahel, mida inimesed teavad. Šimpans teab, milline ämber on porgandeid täis (ugh) ja milline maapähkleid (woohoo!). Kuid võib ka teada, et inimene 1 korjab porgandikotist maapähkleid ja inimene 2 ärritab maapähkliämbrist porgandeid. Nii et kui ta seda teaks, peaks šimpans valima Inimese 1 rusika ja koguma oma maapähkli.

Ah, aga oodake: kui inimesed 1 ja 2 ei vaadanud ämbrisse, siis kindlasti oli tõenäolisem, et Inimesel 1 on nüüd porgand ja Inimesel 2 on nüüd maapähkel, sest just see nende ämbrid täis sai. Sel juhul peaks šimpans valima Inimese 2 rusika, kuna neil oli tõenäolisemalt maapähkel.

Hämmastav, et šimpansid töötasid selle kõik välja. Uuringutel, kus inimesed vaatasid ämbrid, valisid šimpansid inimese 1 - maapähkli korjaja - rusika palju sagedamini kui juhus. Uuringutel, kus inimesed ei suutnud ämbrisse näha, valisid šimpansid sagedamini Inimese 2 rusika. Šimpansi valikud ei kajastanud mitte ainult nende teadmisi maailmast, vaid ka seda, mida nad järeldasid, et inimesed teadsid maailmast. Ja kasutas neid teadmisi oma otsuste tõenäosuse kohandamiseks.

Nägu, šimpans on parem statistik kui sina.

3 / Vale lapsepõlv

Kas mäletate, kui olite üks, laadisite selle koha pealt väga täis mähkmega (mähe, kui te seda nõudsite), libisesid ja laskusid teie rinnale nii kõvasti, et mähe kaotas isoleerimise ja sellest tuleneva pooh-tsunami kattis vanaema? Ei? Noh, see on tingitud väikelaste amneesiast - me ei anna pikaajalisi mälestusi oma varasest lapsepõlvest.

Imiku amneesia näib olevat üsna enesestmõistetav: me ei mäleta oma varasest lapsepõlvest midagi, seega ei tohi meie ajus olla mälu. Või on? Mis siis saab, kui me lihtsalt ei pääse neile mälestustele ligi. Paul Franklandi laborist pärit tööd, mida juhtis Axel Guskjolen, on nüüd meile näidanud, et tegelikult võivad teie lapsepõlve lapsepõlve lapsepõlve mälestused veel kusagil seal olla.

Ka hiired ei mäleta varases lapsepõlves asju. Franklandi labor näitas seda hiire mälu testimisega halva koha kartuses - pange hiir spetsiaalsesse kasti, rakendage kerget elektrilööki, korrake paar korda. Järgmisel päeval pange see tagasi sellesse kasti ja hiir külmub, meenutades kasti, mida see tähendab ja ennetades šokki.

Tehke seda täiskasvanud hiirtele - 60 päeva vanustele - ja see mälu kestab üle 90 päeva. Kui külmkapist 90 päeva pärast tagasi kasti pannakse, külmub neid sama palju kui ühe päeva pärast - isegi kui nad pole 89 päeva jooksul seda kasti näinud. Neil on selge mälestus halvast kohast, mis kestab kauem, kui nad oleksid elus olnud, kui nad seda esimest korda nägid. Päris veenev pikaajaline mälu.

Kuid tehke seda imikutele - 14 päeva vanustele - hiirtele ja kogu mälu halvast kohast on 15 päeva hiljem kadunud. Pange need 30 päeva pärast kasti tagasi, ütleme nii, et see ei külmuks üldse. Kas mälu on kadunud või varjatud?

Me teame, et hipokampus on sedasorti kohamälestustesse tugevalt seotud. Nii et see on suurepärane kandidaat halva koha mälestuse leidmiseks. Franklandi labor võttis elegantse lähenemise - süstida hipokampusesse geeni, mis märgistab neuronid, kui nad on aktiivsed. Idee oli selles, et kõige aktiivsemad on närvid, mis halvas kohas treenimise ajal mälu panevad, seega märgistatakse need kõige tugevamalt. Oluline osa on see, et märgistamine põhjustab neuronite valgustundliku ioonikanali ekspressiooni. Kui peaksite hiljem laseri särama samasse hipokampuse ossa, aktiveerib laser uuesti just need sildistatud neuronid. Teoreetiliselt taasaktiveerimine, mida need neuronid esindavad.

Franklandi labor tegi just seda nende 14 päeva vanustel hiirtel: sildistas aktiivsed neuronid, treenides neid halva koha tundmaõppimiseks. Kui nad 15 päeva pärast kasti tagasi panid, ei külmunud nad, nii et mälu ei olnud, nagu arvati. Seejärel lülitati sisse hipokampuses olev laser: ja hiired külmusid. Just nagu sisse lülitatud märgistatud neuronite taasaktiveerimine lülitas halva koha kadunud mälu sisse.

Nagu kõigi heade teadlaste puhul, tegi meeskond selle veenevaks tegemiseks palju kontrollkatseid. Nad lülitasid laserit sisse ilma neuroneid sildistamata ja külmetamata. Nad sildistasid neuronid, kuid lasid laserit sisse ainult muudes kohtades, näiteks nende puuris, mitte spetsiaalses kastis: ega külmuta. See kontroll on tegelikult väga oluline. Nii paljude hipokampuses asuvate neuronite aktiveerimine võib põhjustada epilepsiataolist haigushoogu, kus hiired oma kohale külmuvad. Kuid kuna külmutamine oli ainult halvas kohas ja mitte kõikjal, kus laser sisse lülitati, on see üsna veenev tõendusmaterjal, et halvas kohas külmutamine polnud lihtsalt kramp.

Märgistatud neuronite aktiveerimine töötas treenimise ja testimise vahel ikkagi 30 päeva pärast. See töötas 60 päeva pärast. Imiku mälu halvas kohas toimunust võidakse soovi korral uuesti sisse lülitada. See oli seal, kuid nad ei pääsenud sellele ligi. Mis avab pisut murettekitava idee, et imiku amneesia pole mälu kustutamine, vaid mälu varjamine.

Plaan S

Kui me arutame teadust 2018. aastal, siis ma eeldan, et peame mainima plaani S. Julge plaan saada avaldatud teosed kogu Euroopa Liidust vabalt ja kõigile kohe kättesaadavaks. Ja plaan selle ellu viia paari aasta pärast. Väärt idee, kuid see, mis ei põhjustanud vaielda.

Ühest küljest on see kaua vajaminev tegevus, olenemata sellest, kas usute, et maksumaksjate tasutud teadus peaks olema neile maksumaksjatele kättesaadav või on teaduse kirjastuste tohutu kasum rõve. Teisest küljest on tegemist seaduse draakonilise kehtestamisega, millel on kitsas ja segane vaade sellele, mis kujutab endast avatud juurdepääsu (puuduvad eeltrükid, lühikese viivitusega vaba juurdepääs) ja tuludest sõltuvate asutuste jaoks vähe mõtlemist ajakirjade avaldamisest nende olemasolu kohta (näiteks õppinud seltsid). Kellel on õigus?

Kõik muidugi. Vajame mingisugust S plaani; versioon, mille me saime, polnud enne väljakuulutamist piisavalt läbi mõeldud. Tasulise avatud juurdepääsu eelistamine kõigile teistele eeldab, et väljakujunenud kirjastajatele antakse rohkem, mitte vähem võimu. Ja ma nägin kummaliselt vähe arutelu Ühendkuningriigi pikaajalisest kogemusest meie oma plaani S versiooniga: meil on alates 2014. aastast, mil loodi selle eest tasumiseks keskfond, volitatud meie teadusnõukogude rahastatud tööde kuldse avatud juurdepääsu avaldamist. ja Wellcome Trust tegid oma rahaga sarnase mandaadi). Igale ülikoolile antakse igal aastal oma osa sellest keskfondist lihtsa ülesandega: maksta iga teadusnõukogu rahastatud paberi eest, mis avaldatakse kõigile avatud.

Tulemus? Ilma et oleks piiritletud, kui palju ajakirju kõigile avatud paberi avaldamine maksab, maksab see absoluutselt palju varandust. Iga ülikooli valduses olevad rahalised vahendid kuluvad igal majandusaastal kiiresti. Üleujutuse peatamiseks panid mõned ülikoolid paika oma kohalikud eeskirjad, mis käsitlevad seda, missugust paberit rahastatakse (nt hübriidajakirjade jaoks raha ei ole), nii et ülikoolide vahel on suuri vastuolusid selle näiliselt lihtsa poliitika rakendamisel. Hullem, kui mõnel ülikoolil rahastus lihtsalt otsa saab ja lükatakse mandaadiga seotud paberimaksetaotlused tagasi. Ühesõnaga kallis jama.

Ma ootan Plan S arhitektide vastust lihtsale küsimusele: kui need rakendatakse, kus inimesed avaldavad, kui raha otsa saab?

Kuule, 2018 polnud kõik halb.

Peter Dayan ja Demis Hassabis valiti kuningliku seltsi kaasõpilasteks, tunnustades nende murrangulist tööd tehisintellekti ja neuroteaduste alal. DeepLabCut tõi massidesse automatiseeritud üldotstarbelise liikumise jälgimise. Saime veenvaid tõendeid selle kohta, et aju võtme-neuromodulaatoreid sisaldavad keskmised aju kesknärvide rühmad on erakordse mitmekesisuse koduks - nädala jooksul üksteisele paistnud paberirohkus serotoniini, dopamiini ja noradrenaliini kohta.

Hugo Spiers ja tema kolleegid näitasid meile, et riigi meeste ja naiste navigeerimisvõime erinevus on üsna hämmastavalt korrelatsioonis selle riigi soolise ebavõrdsuse tasemega: mida ebavõrdsemaks soolisi koheldakse, seda suurem on erinevus lõhe navigeerima. Selles osas, kus väikse soolise ebavõrdsusega riikides - teie Norras ja Soomes - pole meeste ja naiste navigeerimisvõimes erinevusi.

Ja see oleks minu jaoks kahetsusväärne, rääkimata sellest, et The Spike'il endal oli põnev aasta, kuna see kandis ühemehe show-st platvormi mitmekesise hääle saamiseks süsteemneuroteaduses. Mõned olulisemad sündmused hõlmavad järgmist

  • Ashley Juavinetti käimasolev nõuannete seeria neuroteaduste doktorikraadi valimiseks ja saamiseks (ja olge valmimas!)
  • Kelly Clancy pärl selle kohta, miks lihtsad seletused bioloogias on ebausaldusväärsed
  • Ja mis muutus juhuslikult kolmeosaliseks sügavaks sukeldamiseks ajudesse kui arvutitesse: miks ma aju kui arvuti olen teooria, mitte metafoor; Blake Richards teemal, miks pole aju ainult arvutid, vaid loogiline paratamatus; ja Corey Maley sellest, miks analoogarvutamine võib olla aju jaoks palju parem riistvara metafoor.

Oota, mis see on? Detsember tõi meile looduse väljaande koos tõeliselt kummalise neuroteaduste paberiga. Raamat hipokampuse rollist mälus. Erinevalt enamikust kummalistest paberitest oli see kummaline selle jaoks, mida selles polnud. Pole toretsevat geneetikat; pole keeruline optogeneetika, et panna neuronid tegema ebamaiseid asju; puuduvad DREADD-d konkreetsete neuronite juhtimiseks kavandatud kemikaalidega; sadade või tuhandete neuronite registreerimiseks pole vaja neuropiksele ega kaltsiumi kuvamist; õigupoolest mingit salvestust ükski. Just käitumine, põhjuslikud seose keemilised kahjustused ja EEG / LFP unerežiimide jälgimiseks. Nagu midagi 80ndate lõpust. Nagu ka statistilisi analüüse (tõsiselt Nature, kas 2018. aastal on ühepoolsete vearibudega tulpdiagrammid?).

Kuid see tegi huvitava juhtumi teadusliku ülevaate saamiseks ja looduses see on. Kas veidrik või pöördepunkt teadusliku ülevaate väärtustamiseks välguga? Edasi 2019. aastani, et seda teada saada. Näeme seal!

Tahad rohkem? Jälgi meid Spike'is

Twitter: @markdhumphries