Năm 2018: một đánh giá nhẹ nhàng về năm trong khoa học thần kinh

Thời gian để đốt cháy sách giáo khoa

Chào mừng tất cả đến đánh giá hàng năm thứ ba trong năm về khoa học thần kinh từ The Spike. Chúng tôi đã thực hiện đến cuối năm 2018. Ai thấy điều đó sẽ đến?

Điều đó có nghĩa là đã đến lúc nắm giữ cổ phiếu và ngưỡng mộ những bước tiến tuyệt vời mà chúng ta đã đạt được trong việc tìm hiểu bộ não trong năm nay. Pfft. Ở đó, làm điều đó. Bây giờ để đánh giá thực tế, năm nay một mẫu của ba tác phẩm đẹp hoặc khiêu khích cho chúng ta thấy chúng ta hiểu ít hơn chúng ta nghĩ.

1 / Neurons Nhận truyền RNA RNA

Tháng một bắt đầu với một tiếng nổ: Jason Shepherd và nhóm của ông đã xuất bản một bài báo cho thấy RNA thông tin (mRNA) được truyền giữa các tế bào thần kinh. Tôi sẽ nói thẳng rằng sinh học phân tử không phải là một trong những thế mạnh của tôi. Nhưng sau đó không phải là trò tung hứng của voi, và tôi đã cố gắng hết sức cho đến khi thoát vị. Và những phát hiện trong bài báo này rất kỳ quặc đến nỗi nếu bạn bỏ lỡ nó sau đó, bạn cần biết về nó biết.

Tất cả bắt đầu với gen Arc và protein được mã hóa. Chúng tôi biết Arc là cần thiết cho việc học. Xóa gen Arc ở chuột và học tập bị vặn. Các gen Arc xuất hiện trong các cuộc thám hiểm câu cá lớn cho các gen liên quan đến rối loạn học tập và phát triển. Và lần đầu tiên chúng ta thậm chí biết một số thứ về protein Arc làm gì - nó liên quan đến việc xây dựng các khớp thần kinh, có thể bằng cách di chuyển các thụ thể AMPA vào vị trí.

Cho đến nay, di truyền. Gen Arc được đọc ra bởi một chuỗi Arc mRNA, từ đó chỉ định một protein Arc và protein Arc làm thay đổi các khớp thần kinh. Rất nhiều cơ chế, nhưng không có chức năng. Việc mucking về một gen ảnh hưởng đến các khớp thần kinh lần lượt ảnh hưởng đến việc học là một chút không có trí tuệ. Chúng ta đã biết rất nhiều về thời điểm và lý do các khớp thần kinh giữa các tế bào thần kinh trở nên yếu hơn hoặc mạnh hơn; biết con đường gen-protein này cho chúng ta hiểu rõ hơn về cách các khớp thần kinh mạnh hơn hay yếu hơn, nhưng không cho chúng ta biết nhiều hơn về lý do tại sao hoặc khi nào. Khi các nhà khoa học thần kinh hệ thống, chúng ta chỉ ra khỏi giường vì điều gì đó cho chúng ta biết về cách các nơ-ron nói chuyện với nhau.

Hóa ra các nơ-ron có thể nói chuyện với nhau bằng Arc. Bây giờ tôi ra khỏi giường

Bài báo của phòng thí nghiệm chăn cừu vào tháng 1 cho thấy protein Arc tạo ra lớp vỏ giống như virus và bên trong lớp vỏ này được bọc mRNA của chính Arc - mRNA tự mã hóa protein. Lớp vỏ này sau đó lần lượt được nhét trong loại túi - một túi - mà tế bào thần kinh sử dụng để truyền các thứ cho nhau tại các khớp thần kinh. Ngoại trừ loại mụn nước này không được giải phóng ở khớp thần kinh, nó chỉ được giải phóng từ bất cứ nơi nào trên da của tế bào thần kinh mà nó hình thành.

Câu hỏi lớn mà phòng thí nghiệm chăn cừu phải đối mặt là: nếu cái túi này chứa một chút mRNA của Arc được giải phóng ra ngoài tế bào thần kinh, liệu nó có bị các tế bào thần kinh khác chiếm lấy không? Và nếu nó được đưa lên, nó sẽ làm gì? Họ đã giải quyết điều này một cách thực sự tao nhã. Lấy một loạt tế bào thần kinh trong một món ăn không có Arc trong đó, vì nó đã bị đánh bật ra. Sau đó đổ một số túi chứa đầy mRNA Arc vào món ăn đó, những túi đặc biệt đã được thay đổi để phát sáng. Và xem: các túi phát sáng cuối cùng bên trong các tế bào thần kinh? Vâng, họ đã làm.

Và móc sắt là khi nhóm của Người chăn cừu nhìn vào bên trong những tế bào thần kinh không có Arc này, giờ chứa đầy những túi phát sáng và tìm thấy một lượng lớn protein Arc. MRNA đã được đưa lên và protein được sản xuất từ ​​nó.

Sự phân nhánh của công việc này có tiềm năng rất lớn. Đối với một điều, chúng ta có bằng chứng đáng kinh ngạc về việc truyền không chính tắc giữa các tế bào thần kinh. Nhưng quan trọng hơn là những gì đã được truyền đi: đây là một tế bào thần kinh gửi một công thức về cách xây dựng một protein cho một tế bào thần kinh khác. Một loại protein liên quan nhiều đến việc kiểm soát việc học. Bây giờ chúng tôi có bằng chứng cho thấy các hướng dẫn nội bộ để thay đổi các khớp thần kinh của một tế bào thần kinh có thể được gửi đến các tế bào thần kinh khác gần đó và cũng có khả năng thay đổi chúng. Hiểu cách các nơ-ron học chỉ trở nên phức tạp hơn nhiều.

Ồ, và điều tương tự cũng xảy ra ở ruồi.

2 / Ai xem đồng hồ-người?

Nói rằng tôi là kiểu người cha phiền phức, người đã phát hiện ra đồ ngọt cùng một lúc trong một trò chơi tẻ nhạt chậm chạp để giải trí cho riêng tôi. Tôi đã có một bát kẹo và nho trộn lẫn với nhau, và một đứa trẻ 5 tuổi rất thích một người cha thực sự ngọt ngào. Vì vậy, trò chơi diễn ra như sau - Tôi nhìn vào cái bát, và chọn một cái gì đó và đưa nó cho đứa trẻ bị kích thích. Với tay trái tôi luôn cầm và cho xem một quả nho, với tay phải là sô cô la; Tôi nhắc lại rằng chọn và hiển thị một vài lần để gửi tin nhắn về nhà. Sau đó, tôi chọn một mục trong mỗi nắm tay để chúng không thể nhìn thấy và yêu cầu đứa trẻ 5 tuổi của tôi chọn một bàn tay để mở. Họ sẽ chọn cái nào? Tay phải, có?

Nhưng nếu sau đó tôi đặt cả hai tay vào bát mà không nhìn vào bát, họ sẽ chọn cái nào? Nếu 5 tuổi của tôi hiểu cách thế giới hoạt động, thì bây giờ họ biết rằng tôi không thể nhìn thấy những gì tôi đã chọn - vì vậy họ nên chọn một cách ngẫu nhiên. Hoặc la mắng cho mẹ để bắt bố phải đóng gói trong trò chơi ngu ngốc này.

Để chọn một bàn tay, đứa trẻ 5 tuổi cần một số kiến ​​thức khá tiên tiến về những gì người khác biết - một mô hình của thế giới bao gồm suy luận những gì người khác biết về thế giới.

Công trình của Johanna Eckert và các đồng nghiệp năm nay cho thấy tinh tinh có chính xác kiến ​​thức này - về con người.

Mỗi con tinh tinh phải đối phó với hai con người phiền phức như vậy. Hai thùng đã được xem, cả hai hỗn hợp cà rốt và đậu phộng; Một nặng về cà rốt, một nặng trên đậu phộng. Các thùng trong suốt, vì vậy con tinh tinh có thể thấy cái nào nặng cà rốt và nặng bằng hạt đậu phộng. Con người cố tình chọn những lựa chọn hiếm có: Con người 1 nhặt đậu phộng từ thùng nặng cà rốt; Con người 2 củ cà rốt nhặt từ thùng đậu phộng nặng. Mỗi người cho thấy những lựa chọn cho tinh tinh.

Sau khi thể hiện điều này một vài lần, và có lẽ là khi con tinh tinh đã mệt mỏi với những con người phiền phức này và trò chơi tẻ nhạt của chúng, sau đó đến thử nghiệm. Trong một số thử nghiệm, con người nhìn vào thùng khi họ đang nhặt. Trong các thử nghiệm khác, họ không thể nhìn thấy cái xô và bị mù một cách mù quáng. Con tinh tinh có thể nhìn thấy tất cả điều này. Trên mỗi thử nghiệm, nó được cung cấp cả hai nắm đấm, và được yêu cầu chọn một. Nó đã chọn cái nào?

Sự căng thẳng ở đây là giữa kiến ​​thức của tinh tinh về những gì trong xô và kiến ​​thức về những gì con người biết. Con tinh tinh biết cái xô nào chứa đầy cà rốt (ugh) và cái nào chứa đầy đậu phộng (woohoo!). Nhưng nó cũng có thể biết rằng Người 1 tiếp tục nhặt đậu phộng từ thùng cà rốt, và Người 2 bực mình nhặt cà rốt từ thùng đậu phộng. Vì vậy, nếu nó biết điều này, thì con tinh tinh nên chọn nắm đấm của Người 1 và thu thập đậu phộng của nó.

À, nhưng chờ đã: nếu Con người 1 và 2 không nhìn vào xô, thì chắc chắn rằng Người 1 bây giờ có củ cà rốt và Người 2 bây giờ có đậu phộng, vì đó là những gì xô của họ chứa đầy. Trong trường hợp đó, con tinh tinh nên chọn nắm đấm của Người 2, vì chúng có nhiều khả năng có đậu phộng.

Thật đáng ngạc nhiên, những con tinh tinh đã làm việc này. Trong các thử nghiệm mà con người nhìn vào xô, những con tinh tinh đã chọn nắm đấm của Người 1 - người hái đậu phộng - thường xuyên hơn nhiều so với cơ hội. Trong các thử nghiệm mà con người không thể nhìn thấy trong các thùng và được chọn ngẫu nhiên, những con tinh tinh đã chọn nắm đấm của Người 2 thường xuyên hơn. Sự lựa chọn của tinh tinh không chỉ phản ánh kiến ​​thức của chúng về thế giới, mà cả những gì chúng suy luận về con người biết về thế giới. Và sử dụng kiến ​​thức này để điều chỉnh xác suất quyết định của họ.

Đối mặt với nó, một con tinh tinh là một nhà thống kê tốt hơn bạn.

3 / Tuổi thơ thất lạc

Bạn có nhớ khi bạn còn là một người, đang sạc pin ở nơi đó với một cái tã rất đầy đủ (tã, nếu bạn khăng khăng), bị trượt, và rơi xuống đất của bạn đến nỗi cái tã bị mất và cơn sóng thần pooh bao trùm lên bà? Không? Chà, đó là vì chứng mất trí nhớ ở trẻ sơ sinh - chúng tôi không nằm trong ký ức lâu dài của thời thơ ấu.

Chứng mất trí nhớ ở trẻ sơ sinh có vẻ khá rõ ràng: chúng ta không thể nhớ bất cứ điều gì về thời thơ ấu của mình, vì vậy không có bộ nhớ được lưu trữ trong não. Hoặc là nó? Để làm gì nếu thay vào đó chúng ta chỉ đơn giản là không thể truy cập vào những ký ức. Công việc từ phòng thí nghiệm của Paul Frankland, do Axel Guskjolen dẫn đầu, giờ đây đã cho chúng ta thấy rằng thực sự có những ký ức về thời thơ ấu của bạn vẫn còn ở đâu đó.

Chuột cũng không thể nhớ những thứ từ thời thơ ấu của chúng. Phòng thí nghiệm của Frankland đã cho thấy điều này bằng cách kiểm tra bộ nhớ của một con chuột vì sợ một nơi tồi tệ - đặt một con chuột vào một hộp đặc biệt, áp dụng một cú sốc điện nhẹ, lặp lại một vài lần. Sau đó, ngày hôm sau hãy đặt nó trở lại vào cái hộp đó, và con chuột đóng băng, nhớ lại cái hộp, ý nghĩa của nó và dự đoán một cú sốc.

Làm điều này với chuột trưởng thành - 60 ngày tuổi - và bộ nhớ đó kéo dài hơn 90 ngày. Chúng đóng băng nhiều như vậy nếu được đặt lại vào hộp sau 90 ngày như sau một ngày - ngay cả khi chúng chưa bao giờ nhìn thấy chiếc hộp trong 89 ngày. Họ có một trí nhớ rõ ràng về nơi tồi tệ tồn tại lâu hơn thời gian họ còn sống khi lần đầu tiên nhìn thấy nó. Khá thuyết phục trí nhớ dài hạn.

Nhưng hãy làm điều này với những con chuột sơ sinh - 14 ngày tuổi - và tất cả ký ức về nơi tồi tệ sẽ biến mất sau 15 ngày. Đặt chúng trở lại trong hộp sau 30 ngày, nói, và không đóng băng chút nào. Là bộ nhớ đã biến mất, hoặc bị ẩn?

Chúng tôi biết rằng hải mã có liên quan mạnh mẽ đến những loại ký ức nơi này. Vì vậy, nó là một ứng cử viên tuyệt vời để tìm kiếm ký ức về nơi tồi tệ. Phòng thí nghiệm của Frankland đã áp dụng cách tiếp cận tao nhã là tiêm vào vùng hải mã một gen gắn thẻ tế bào thần kinh khi chúng hoạt động. Ý tưởng ở đây là các tế bào thần kinh nằm xuống bộ nhớ trong quá trình luyện tập ở nơi tồi tệ sẽ hoạt động mạnh nhất, do đó sẽ được gắn thẻ mạnh nhất. Phần quan trọng là việc gắn thẻ làm cho các tế bào thần kinh thể hiện một kênh ion nhạy cảm với ánh sáng. Sau đó, nếu sau đó bạn chiếu tia laser vào cùng một phần của đồi hải mã, tia laser sẽ kích hoạt lại chỉ những tế bào thần kinh được gắn thẻ. Về lý thuyết, kích hoạt lại bất cứ thứ gì mà các nơ-ron đại diện.

Phòng thí nghiệm của Frankland đã làm điều này ở những con chuột 14 ngày tuổi của chúng: gắn thẻ các tế bào thần kinh hoạt động trong khi huấn luyện chúng tìm hiểu về nơi tồi tệ. Khi họ đặt chúng trở lại hộp sau 15 ngày, chúng không bị đóng băng, không hiển thị bộ nhớ, như mong đợi. Nhưng sau đó, tia laser ở hải mã đã được bật: và những con chuột bị đóng băng. Giống như việc kích hoạt lại các nơ-ron được gắn thẻ đã bật bộ nhớ bị mất ở nơi xấu.

Như với tất cả các nhà khoa học giỏi, nhóm nghiên cứu đã thực hiện rất nhiều thí nghiệm kiểm soát để làm cho điều này trở nên thuyết phục. Họ bật laser mà không gắn thẻ tế bào thần kinh, và không bị đóng băng. Họ đã gắn thẻ các tế bào thần kinh, nhưng chỉ bật laser ở các vị trí khác, như lồng của chúng, không phải hộp đặc biệt: và không bị đóng băng. Kiểm soát này thực sự rất quan trọng. Kích hoạt rất nhiều tế bào thần kinh ở đồi hải mã cùng một lúc có thể gây ra cơn động kinh vắng mặt giống như động kinh, nơi những con chuột sẽ đóng băng tại chỗ. Nhưng vì việc đóng băng chỉ ở nơi tồi tệ, và không phải nơi nào bật laser, đó là bằng chứng khá thuyết phục rằng việc đóng băng ở nơi tồi tệ không chỉ là một cơn động kinh.

Kích hoạt các tế bào thần kinh được gắn thẻ vẫn hoạt động sau 30 ngày giữa đào tạo và thử nghiệm. Nó đã làm việc sau 60 ngày. Ký ức của một con chuột sơ sinh về những gì xảy ra ở nơi tồi tệ có thể được bật lại theo ý muốn. Nó ở đó, nhưng họ không thể truy cập nó. Điều này mở ra một ý tưởng hơi đáng lo ngại rằng chứng mất trí nhớ ở trẻ sơ sinh không phải là sự xóa nhòa ký ức, mà là sự che giấu ký ức.

Các kế hoạch

Nếu chúng ta sẽ thảo luận về khoa học vào năm 2018, tôi cho rằng chúng ta phải đề cập đến Kế hoạch S. Một kế hoạch táo bạo để có được các tác phẩm được xuất bản từ khắp Liên minh châu Âu một cách tự do và có sẵn cho tất cả mọi người đọc. Và để có được kế hoạch đưa ra trong một vài năm. Một ý tưởng xứng đáng, nhưng một trong đó gây ra không có kết thúc tranh luận.

Từ góc độ, đây là một hành động cần thiết, cho dù bạn tin rằng khoa học được trả bởi người nộp thuế nên có sẵn cho những người nộp thuế đó, hoặc lợi nhuận khổng lồ của các nhà xuất bản khoa học là tục tĩu. Từ góc độ khác, đây là một bộ luật hà khắc, với cái nhìn hạn hẹp, lầy lội về những gì cấu thành truy cập mở (không in trước, không truy cập miễn phí với độ trễ ngắn) và ít suy nghĩ cho các tổ chức phụ thuộc vào doanh thu từ các tạp chí xuất bản cho sự tồn tại của họ (chẳng hạn như các xã hội đã học). Ai đúng?

Tất cả mọi người, tất nhiên. Chúng tôi cần một kế hoạch S của một số loại; phiên bản chúng tôi nhận được không được nghĩ kỹ trước khi được công bố. Ưu tiên trả tiền cho truy cập mở đối với tất cả các rủi ro khác mang lại nhiều hơn, không ít hơn, cho các nhà xuất bản được thành lập. Và tôi đã thấy một cuộc thảo luận nhỏ về kinh nghiệm lâu dài của Vương quốc Anh với phiên bản Kế hoạch S của riêng chúng tôi: chúng tôi đã bắt buộc xuất bản công việc truy cập mở vàng do Hội đồng nghiên cứu của chúng tôi tài trợ từ năm 2014, khi một quỹ trung ương được thành lập để trả tiền cho nó ( và Wellcome Trust đã thực hiện một nhiệm vụ tương tự bằng tiền riêng của họ). Mỗi trường đại học được chia sẻ quỹ đầu tư trung tâm này mỗi năm, với một nhiệm vụ đơn giản: trả tiền cho mỗi bài báo được tài trợ bởi Hội đồng nghiên cứu để được xuất bản ra cho mọi người.

Kết quả? Không có giới hạn về số lượng tạp chí sẽ tính phí để xuất bản một bài báo mở, điều này có giá trị tuyệt đối. Các quỹ được tổ chức bởi mỗi trường đại học đang nhanh chóng chạy xuống mỗi năm tài chính. Để ngăn chặn lũ lụt, một số trường đại học đưa ra các quy tắc địa phương của riêng họ về loại giấy nào sẽ đủ điều kiện tài trợ (ví dụ: không có quỹ cho các tạp chí lai), do đó, có sự mâu thuẫn lớn giữa các trường đại học trong cách họ thực hiện chính sách đơn giản này. Tồi tệ hơn, một số trường đại học chỉ đơn giản là hết tiền, và từ chối các yêu cầu bắt buộc để trả tiền cho các giấy tờ. Tóm lại, một mớ hỗn độn đắt tiền.

Tôi mong các kiến ​​trúc sư Plan S trả lời câu hỏi đơn giản: nếu được thực hiện, mọi người sẽ xuất bản ở đâu khi hết tiền?

Này, 2018 không phải là tất cả xấu.

Chúng tôi đã có Peter Dayan và Demis Hassabis được bầu làm Nghiên cứu sinh của Hiệp hội Hoàng gia, để ghi nhận công trình đột phá của họ về trí tuệ nhân tạo và khoa học thần kinh. DeepLabCut đã mang theo tự động, theo dõi chuyển động mục đích chung cho công chúng. Chúng tôi có bằng chứng thuyết phục rằng các nhóm tế bào thần kinh giữa não nhỏ chứa các chất điều hòa thần kinh quan trọng của não là nơi có sự đa dạng phi thường, trong một loạt các bài báo trong vòng một tuần, trên serotonin, trên dopamine và noradrenaline.

Hugo Spiers và các đồng nghiệp đã cho chúng ta thấy rằng sự khác biệt về khả năng điều hướng giữa nam và nữ của một quốc gia có mối tương quan khá lớn với mức độ bất bình đẳng giới ở quốc gia đó: giới tính càng bất bình đẳng, thì khoảng cách về khả năng càng lớn điều hướng. Trong phạm vi các quốc gia có bất bình đẳng giới nhỏ - Norways và Finlands của bạn - cho thấy không có sự khác biệt về khả năng điều hướng giữa nam và nữ.

Và tôi sẽ cảm thấy hối hận khi không đề cập đến việc chính Spike đã có một năm thú vị, khi nó biến đổi từ chương trình một người thành một nền tảng cho nhiều giọng nói phong phú trong khoa học thần kinh hệ thống. Một số điểm nổi bật bao gồm

  • Một loạt lời khuyên liên tục của Ashley Juavinett về việc chọn và lấy bằng tiến sĩ về khoa học thần kinh (và coi chừng cuốn sách sắp tới!)
  • Viên ngọc của Kelly Clancy về lý do giải thích đơn giản trong sinh học là không đáng tin
  • Và điều vô tình biến thành một phần sâu ba phần thành bộ não như máy tính: tôi về lý do tại sao bộ não của người máy tính là một lý thuyết, không phải là một phép ẩn dụ; Blake Richards về lý do tại sao nó không chỉ là một lý thuyết, mà là một điều tất yếu logic mà bộ não là máy tính; và Corey Maley về lý do tại sao điện toán tương tự có thể là một phép ẩn dụ phần cứng tốt hơn nhiều cho bộ não.

Đợi đã, cái gì đây? Tháng 12 đã mang đến cho chúng ta một vấn đề của Tự nhiên với một bài báo khoa học thần kinh thực sự kỳ lạ. Một bài báo về vai trò của hải mã trong bộ nhớ. Không giống như hầu hết các giấy tờ lạ, cái này là lạ đối với những gì không có trong đó. Không có di truyền hào nhoáng; không có phương pháp quang học phức tạp để làm cho tế bào thần kinh làm những việc phi thực tế; không có DREADD để kiểm soát tế bào thần kinh cụ thể bằng hóa chất thiết kế; không có Neuropixels hoặc hình ảnh canxi để ghi lại hàng trăm hoặc hàng ngàn tế bào thần kinh; không có đơn vị ghi âm của bất kỳ loại, trong thực tế. Chỉ cần hành vi, tổn thương hóa học cho quan hệ nhân quả và EEG / LFP để theo dõi trạng thái ngủ. Giống như một cái gì đó từ cuối những năm 80. Như các phân tích thống kê (nghiêm túc Bản chất, biểu đồ thanh với các thanh lỗi một mặt trong năm 2018?).

Nhưng nó đã tạo ra một trường hợp thú vị cho sự hiểu biết khoa học, và đó là, trong Tự nhiên. Freak xảy ra, hoặc bước ngoặt để hiểu biết sâu sắc khoa học về flash? Chuyển sang năm 2019 để tìm hiểu. Hẹn gặp bạn ở đó

Muốn thêm? Theo dõi chúng tôi tại The Spike

Twitter: @markdhumphries