2018: ein leicht durcheinandergebrachter Rückblick auf das Jahr in den Neurowissenschaften

Zeit, die Lehrbücher in Brand zu setzen

Willkommen zum dritten Jahresrückblick des Jahres in den Neurowissenschaften von The Spike. Wir haben es bis Ende 2018 geschafft. Wer hat das kommen sehen?

Das heißt, es ist Zeit, Bilanz zu ziehen und die großen Fortschritte zu bewundern, die wir in diesem Jahr beim Verständnis des Gehirns gemacht haben. Pfft. Dort getan. Nun zum eigentlichen Rückblick, dieses Jahr eine Auswahl von drei schönen oder provokanten Arbeiten, die uns zeigen, dass wir weniger verstehen, als wir dachten.

1 / Neuronen "übertragen" RNA

Der Januar begann mit einem Knall: Jason Shepherd und sein Team veröffentlichten einen Artikel, der zeigt, dass Messenger-RNA (mRNA) zwischen Neuronen übertragen wird. Ich sage gleich zu Beginn, dass die Molekularbiologie keine meiner Stärken ist. Aber dann jongliert auch kein Elefant, und ich habe es bis zum Leistenbruch verdammt gut versucht. Und die Ergebnisse in diesem Artikel sind so ausgefallen, dass Sie, wenn Sie es dann verpasst haben, darüber Bescheid wissen müssen.

Alles beginnt mit dem Arc-Gen und dem Protein, für das es kodiert. Wir wissen, dass Arc zum Lernen benötigt wird. Löschen Sie das Arc-Gen in Mäusen und das Lernen ist geschraubt. Das Arc-Gen taucht in diesen großen Fangexpeditionen für Gene auf, die mit Lern- und Entwicklungsstörungen zusammenhängen. Und einmal wissen wir sogar etwas darüber, was das Arc-Protein tut - es ist am Aufbau von Synapsen beteiligt, möglicherweise indem AMPA-Rezeptoren in Position gebracht werden.

So weit, so viel Genetik. Das Arc-Gen wird durch eine Reihe von Arc-mRNA ausgelesen, die wiederum ein Arc-Protein spezifiziert, und das Arc-Protein verändert die Synapsen. Viel Mechanismus, aber keine Funktion. Dass das Herumspielen mit einem Gen, das wiederum Synapsen beeinflusst, das Lernen beeinflusst, ist ein Kinderspiel. Wir wissen bereits viel darüber, wann und warum Synapsen zwischen Neuronen schwächer oder stärker werden. Wenn wir diesen Gen-zu-Protein-Weg kennen, können wir besser verstehen, wie Synapsen stärker oder schwächer werden, aber wir erfahren nicht viel mehr über das Warum oder Wann. Als Systemneurowissenschaftler stehen wir nur für etwas auf, das uns sagt, wie Neuronen miteinander sprechen.

Es stellt sich heraus, dass Neuronen mithilfe von Arc miteinander sprechen können. Ich bin jetzt aus dem Bett.

Die Arbeit des Shepherd-Labors im Januar zeigte, dass das Arc-Protein eine virusähnliche Hülle bildet und in diese Hülle die eigene mRNA von Arc eingewickelt ist - die mRNA, die das Protein selbst codiert. Diese Hülle wird dann wiederum in die Art von Beutel geschoben - ein Vesikel -, mit dem Neuronen an Synapsen Dinge untereinander übertragen. Außer dass diese Art von Vesikel nicht an einer Synapse freigesetzt wird, sondern einfach von überall auf der Haut des Neurons freigesetzt wird, wo es sich gerade gebildet hat.

Die große Frage, die sich das Shepherd-Labor dann stellte, war: Wenn dieser Beutel, der ein bisschen Arc-mRNA enthält, außerhalb des Neurons freigesetzt wird, wird er dann von anderen Neuronen aufgenommen? Und wenn es aufgenommen wird, was macht es dann? Sie haben das auf sehr elegante Weise angegangen. Nehmen Sie ein paar Neuronen in eine Schüssel, in der sich kein Lichtbogen befindet, da sie ausgeschlagen wurde. Dann werfen Sie einige dieser mit Arc mRNA gefüllten Beutel in diese Schale, spezielle, die so verändert wurden, dass sie leuchten. Und sehen Sie: landen die leuchtenden Taschen in den Neuronen? Ja das taten sie.

Und der Clou war, als Shepherds Team dann in diese Neuronen ohne Lichtbogen blickte, die jetzt mit leuchtenden Beuteln gefüllt waren, und riesige Mengen des Lichtbogenproteins fand. Die mRNA wurde aufgenommen und daraus Proteine ​​hergestellt.

Die Auswirkungen dieser Arbeit sind potenziell enorm. Zum einen haben wir diesen erstaunlichen Beweis für eine nicht-kanonische Übertragung zwischen Neuronen. Wichtiger ist jedoch, was übertragen wurde: Dies ist ein Neuron, das ein Rezept für den Aufbau eines Proteins an ein anderes Neuron sendet. Ein Protein, das stark an der Steuerung des Lernens beteiligt ist. Wir haben jetzt Beweise dafür, dass interne Anweisungen zum Ändern der Synapsen eines Neurons an andere nahe gelegene Neuronen gesendet werden können und möglicherweise auch deren ändern können. Das Verständnis, wie Neuronen lernen, ist jetzt noch viel komplizierter.

Oh, und das gleiche passiert auch bei Fliegen.

2 / Wer beobachtet die Wächter?

Angenommen, ich war der nervige Vater, der in einem langsamen, langweiligen Spiel nacheinander Süßigkeiten zu meiner eigenen Unterhaltung austeilte. Ich habe eine Schüssel mit Süßigkeiten und Trauben, die alle miteinander vermischt sind, und einen 5-Jährigen, der einen süßen, eigentlich Papa sehr gerne hätte. Das Spiel läuft also wie folgt ab: Ich schaue in die Schüssel, suche etwas aus und zeige es dem gereizten Kind. Mit der linken Hand nehme und zeige ich immer eine Traube, mit der rechten Hand eine Schokolade; Ich wiederhole dieses Pick-and-Show ein paar Mal, um die Nachricht nach Hause zu hämmern. Dann wähle ich einen Gegenstand in jeder Faust aus, damit sie nicht sehen können, und bitte meinen 5-Jährigen, eine Hand zum Öffnen zu wählen. Welche würden sie auswählen? Rechte Hand, ja?

Aber wenn ich dann beide Hände in die Schüssel legen würde, ohne in die Schüssel zu schauen, welche würden sie auswählen? Wenn mein 5-Jähriger verstanden hat, wie die Welt funktioniert, dann wissen sie jetzt, dass ich nicht sehen konnte, was ich gewählt habe - also sollten sie zufällig eine Hand auswählen. Oder schreien Sie nach Mama, damit Papa in diesem idiotischen Spiel packt.

Um eine Hand zu nehmen, benötigt der 5-Jährige einige ziemlich fortgeschrittene Kenntnisse darüber, was andere wissen - ein Modell der Welt, das das Ableiten dessen beinhaltet, was andere selbst über die Welt wissen.

Die Arbeit von Johanna Eckert und Kollegen in diesem Jahr hat gezeigt, dass Schimpansen genau dieses Wissen haben - über Menschen.

Jeder Schimpanse musste sich mit zwei solchen nervigen Menschen auseinandersetzen. Zwei Eimer waren in Sicht, beide Mischungen aus Karotten und Erdnüssen; eine schwer auf den Karotten, eine schwer auf den Erdnüssen. Die Eimer waren durchsichtig, so dass der Schimpanse sehen konnte, welcher karottenlastig und welcher erdnusslastig war. Die Menschen wählten absichtlich die seltenen Optionen: Mensch 1 pflückte Erdnüsse aus dem karottenlastigen Eimer; Mensch 2 pflückte Karotten aus dem erdnussschweren Eimer. Jeder zeigte diese Picks dem Schimpansen.

Nachdem ich dies einige Male gezeigt hatte und vermutlich als der Schimpanse diese nervigen Menschen und ihr langweiliges Spiel satt hatte, kam der Test. Bei einigen Versuchen schauten die Menschen beim Pflücken in den Eimer. Bei anderen Versuchen konnten sie den Eimer nicht sehen und pflückten blind. Der Schimpanse konnte das alles sehen. Bei jedem Versuch wurden beide Fäuste angeboten und gebeten, eine zu wählen. Welches hat es gewählt?

Die Spannung besteht hier zwischen dem Wissen des Schimpansen darüber, was sich in den Eimern befindet, und dem Wissen darüber, was die Menschen wissen. Der Schimpanse weiß, welcher Eimer voller Karotten ist (ugh) und welcher voller Erdnüsse (woohoo!). Es kann aber auch bekannt sein, dass Mensch 1 weiterhin Erdnüsse aus dem Karotteneimer pflückt und Mensch 2 irritierend Karotten aus dem Erdnusseimer pflückt. Wenn es das wüsste, sollte der Schimpanse die Faust von Mensch 1 wählen und seine Erdnuss sammeln.

Ah, aber warte: Wenn die Menschen 1 und 2 nicht in den Eimer geschaut haben, dann war es sicherlich wahrscheinlicher, dass Mensch 1 jetzt eine Karotte und Mensch 2 jetzt eine Erdnuss hat, denn damit waren ihre Eimer gefüllt. In diesem Fall sollte der Schimpanse die Faust von Mensch 2 wählen, da sie eher eine Erdnuss haben.

Erstaunlicherweise haben die Schimpansen das alles geklappt. Bei Versuchen, bei denen die Menschen in die Eimer schauten, wählten die Schimpansen weitaus häufiger als zufällig die Faust von Mensch 1 - dem Erdnusspflücker. Bei Versuchen, bei denen die Menschen nicht in die Eimer sehen konnten und zufällig ausgewählt wurden, wählten die Schimpansen häufiger die Faust von Mensch 2. Die Entscheidungen der Schimpansen spiegelten nicht nur ihr Wissen über die Welt wider, sondern auch das, was die Menschen über die Welt wussten. Und nutzte dieses Wissen, um die Wahrscheinlichkeit ihrer Entscheidungen anzupassen.

Seien Sie ehrlich, ein Schimpanse ist ein besserer Statistiker als Sie.

3 / Verlegte Kindheit

Erinnerst du dich, als du einer warst, der mit einer sehr vollen Windel (Windel, wenn du darauf bestehst) über den Ort stürmte, ausrutschte und so hart auf deinem Hintern landete, dass die Windel die Eindämmung verlor und der daraus resultierende Tsunami die Oma bedeckte? Nein? Nun, das liegt an der Amnesie des Kindes - wir haben keine langfristigen Erinnerungen an unsere frühe Kindheit.

Die Amnesie bei Säuglingen scheint ziemlich selbstverständlich zu sein: Wir können uns an nichts über unsere frühe Kindheit erinnern, daher darf in unserem Gehirn kein Gedächtnis gespeichert sein. Oder ist es? Was ist, wenn wir stattdessen einfach nicht auf die Erinnerungen zugreifen können? Die Arbeit von Paul Franklands Labor unter der Leitung von Axel Guskjolen hat uns nun gezeigt, dass es tatsächlich irgendwo Erinnerungen an Ihre Kindheit gibt.

Mäuse können sich auch nicht an Dinge aus ihrer frühen Kindheit erinnern. Franklands Labor zeigte dies, indem es das Gedächtnis einer Maus aus Angst vor einem schlechten Ort testete - legen Sie eine Maus in eine spezielle Schachtel, wenden Sie einen leichten Stromschlag an und wiederholen Sie dies einige Male. Dann legen Sie es am nächsten Tag wieder in diese Schachtel, und die Maus friert ein, erinnert sich an die Schachtel, was sie bedeutet, und erwartet einen Schock.

Tun Sie dies erwachsenen Mäusen - 60 Tage alt - und diese Erinnerung hält mehr als 90 Tage an. Sie frieren genauso stark ein, wenn sie nach 90 Tagen wieder in die Schachtel gelegt werden, wie nach einem Tag - auch wenn sie die Schachtel in den letzten 89 Tagen noch nie gesehen haben. Sie haben eine klare Erinnerung an den schlechten Ort, der länger anhält, als sie am Leben waren, als sie ihn zum ersten Mal sahen. Ziemlich überzeugendes Langzeitgedächtnis.

Aber tun Sie dies Säuglingsmäusen - 14 Tage alt - und alle Erinnerungen an den schlechten Ort sind 15 Tage später verschwunden. Legen Sie sie beispielsweise nach 30 Tagen wieder in die Schachtel, ohne zu frieren. Ist die Erinnerung verschwunden oder verborgen?

Wir wissen, dass der Hippocampus stark an solchen Ortserinnerungen beteiligt ist. Es ist also ein großartiger Kandidat, um die Erinnerung an den schlechten Ort zu finden. Franklands Labor verfolgte den eleganten Ansatz, ein Gen in den Hippocampus zu injizieren, das Neuronen markiert, wenn sie aktiv sind. Die Idee dabei war, dass Neuronen, die das Gedächtnis während des Trainings an einem schlechten Ort ablegen, am aktivsten sind und daher am stärksten markiert sind. Der entscheidende Teil ist, dass die Markierung bewirkt, dass die Neuronen einen lichtempfindlichen Ionenkanal exprimieren. Wenn Sie später einen Laser in denselben Teil des Hippocampus strahlen, aktiviert der Laser nur die markierten Neuronen wieder. Theoretisch wird alles wieder aktiviert, was diese Neuronen darstellen.

Franklands Labor hat genau dies bei ihren 14 Tage alten Mäusen getan: Die aktiven Neuronen wurden markiert, während sie trainiert wurden, um etwas über den schlechten Ort zu lernen. Als sie sie nach 15 Tagen wieder in die Schachtel legten, froren sie nicht ein und zeigten erwartungsgemäß kein Gedächtnis. Aber dann wurde der Laser im Hippocampus eingeschaltet: und die Mäuse erstarrten. Als ob die erneute Aktivierung der markierten Neuronen eine verlorene Erinnerung an den schlechten Ort einschalten würde.

Wie bei allen guten Wissenschaftlern hat das Team viele Kontrollexperimente durchgeführt, um dies zu überzeugen. Sie schalteten den Laser ein, ohne die Neuronen zu markieren, und ohne zu frieren. Sie markierten die Neuronen, schalteten den Laser jedoch nur an anderen Stellen ein, wie in ihrem Käfig, nicht in der speziellen Box: und ohne Einfrieren. Diese Kontrolle ist eigentlich sehr wichtig. Die gleichzeitige Aktivierung so vieler Neuronen im Hippocampus könnte einen epilepsieähnlichen Abwesenheitsanfall verursachen, bei dem die Mäuse an Ort und Stelle einfrieren würden. Aber da das Einfrieren nur am schlechten Ort war und nicht überall dort, wo der Laser eingeschaltet war, ist dies ein ziemlich überzeugender Beweis dafür, dass das Einfrieren am schlechten Ort nicht nur ein Anfall war.

Die Aktivierung der markierten Neuronen funktionierte auch nach 30 Tagen zwischen Training und Test noch. Es hat nach 60 Tagen funktioniert. Die Erinnerung einer Säuglingsmaus an das, was an dem schlechten Ort passiert ist, kann nach Belieben wieder eingeschaltet werden. Es war dort, aber sie konnten nicht darauf zugreifen. Was die etwas besorgniserregende Vorstellung aufwirft, dass Säuglingsamnesie nicht das Löschen des Gedächtnisses ist, sondern das Verstecken des Gedächtnisses.

Pläne

Wenn wir 2018 über Wissenschaft diskutieren wollen, müssen wir wohl Plan S erwähnen. Ein mutiger Plan, um veröffentlichte Werke aus der gesamten Europäischen Union frei und sofort für alle zum Lesen verfügbar zu machen. Und um den Plan in nur wenigen Jahren auf den Weg zu bringen. Eine würdige Idee, aber eine, die kein Ende der Auseinandersetzung verursachte.

Aus einer Perspektive ist dies eine seit langem notwendige Maßnahme, unabhängig davon, ob Sie der Meinung sind, dass die von Steuerzahlern bezahlte Wissenschaft diesen Steuerzahlern zur Verfügung stehen sollte oder dass die enormen Gewinne von wissenschaftlichen Verlagen obszön sind. Aus einer anderen Perspektive ist dies eine drakonische Festlegung des Gesetzes mit einer engen, durcheinandergebrachten Sicht auf das, was Open Access ausmacht (keine Vorabdrucke, kein freier Zugang mit kurzer Verzögerung), und wenig Gedanken für Institutionen, die von Einnahmen abhängig sind von der Veröffentlichung von Zeitschriften für ihre Existenz (wie gelehrte Gesellschaften). Wer hat Recht?

Jeder natürlich. Wir brauchen einen Plan S; Die Version, die wir bekommen haben, wurde nicht gut genug durchdacht, bevor sie angekündigt wurde. Durch die Priorisierung des kostenpflichtigen Open Access gegenüber allen anderen besteht die Gefahr, dass etablierte Verlage mehr und nicht weniger Macht erhalten. Und ich habe seltsamerweise kaum eine Diskussion über die langjährige Erfahrung Großbritanniens mit unserer eigenen Version von Plan S gesehen: Wir haben seit 2014, als ein zentraler Fonds eingerichtet wurde, um diese zu finanzieren, eine Open-Access-Veröffentlichung von Arbeiten in Gold vorgeschrieben, die von unseren Forschungsräten finanziert wurden ( und der Wellcome Trust machte ein ähnliches Mandat mit ihrem eigenen Geld). Jede Universität erhält jedes Jahr ihren Anteil an diesem zentralen Fonds mit einer einfachen Aufgabe: Bezahlen Sie für jedes von den Forschungsräten finanzierte Papier, das „offen für alle“ veröffentlicht werden soll.

Ergebnis? Ohne Obergrenzen dafür, wie viel Zeitschriften für die Veröffentlichung eines Open-to-All-Papers verlangen, kostet dies ein absolutes Vermögen. Die von jeder Universität gehaltenen Mittel werden jedes Geschäftsjahr rasch aufgebraucht. Um die Flut einzudämmen, haben einige Universitäten ihre eigenen lokalen Regeln festgelegt, welche Arten von Papier für eine Finanzierung in Frage kommen (z. B. keine Mittel für Hybridzeitschriften). Daher gibt es große Unstimmigkeiten zwischen den Universitäten bei der Umsetzung dieser scheinbar einfachen Politik. Schlimmer noch, einigen Universitäten gehen einfach die Mittel aus und sie lehnen die vorgeschriebenen Anträge auf Bezahlung von Papieren ab. Kurz gesagt, ein teures Durcheinander.

Ich freue mich darauf, dass die Plan S-Architekten die einfache Frage beantworten: Wenn implementiert, wo werden die Leute veröffentlichen, wenn das Geld ausgeht?

Hey, 2018 war nicht alles schlecht.

Wir hatten Peter Dayan und Demis Hassabis als Fellows der Royal Society gewählt, in Anerkennung ihrer bahnbrechenden Arbeit in den Bereichen künstliche Intelligenz und Neurowissenschaften. DeepLabCut brachte eine automatisierte, universelle Bewegungsverfolgung in die Massen. Wir haben überzeugende Beweise dafür erhalten, dass die winzigen Gruppen von Neuronen des mittleren Gehirns, in denen die wichtigsten Neuromodulatoren des Gehirns untergebracht sind, eine außergewöhnliche Vielfalt aufweisen, und zwar in einer Reihe von Veröffentlichungen innerhalb einer Woche, die Serotonin, Dopamin und Noradrenalin betreffen.

Hugo Spiers und Kollegen haben uns gezeigt, dass der Unterschied in der Navigationsfähigkeit zwischen Männern und Frauen eines Landes erstaunlich gut mit dem Grad der Ungleichheit der Geschlechter in diesem Land korreliert: Je ungleicher die Geschlechter behandelt werden, desto größer ist die Kluft in der Fähigkeit zu navigieren. In dem Maße, in dem Länder mit geringer Ungleichheit der Geschlechter - Norwegen und Finnland - keinen Unterschied in der Navigationsfähigkeit zwischen Männern und Frauen aufweisen.

Und es wäre mir ein Vergnügen, nicht zu erwähnen, dass The Spike selbst ein aufregendes Jahr hatte, als es sich von einer Ein-Mann-Show zu einer Plattform für eine Vielzahl von Stimmen in den Systemneurowissenschaften entwickelte. Einige Highlights sind

  • Ashley Juavinetts fortlaufende Reihe von Ratschlägen zur Auswahl und Promotion in Neurowissenschaften (und achten Sie auf das bevorstehende Buch!)
  • Kelly Clancys Juwel, warum einfache Erklärungen in der Biologie nicht vertrauenswürdig sind
  • Und was aus Versehen zu einem dreiteiligen Eintauchen in das Gehirn als Computer wurde: Ich darüber, warum das „Gehirn als Computer“ eine Theorie ist, keine Metapher; Blake Richards darüber, warum es nicht nur eine Theorie ist, sondern eine logische Unvermeidlichkeit, dass Gehirne Computer sind; und Corey Maley darüber, warum analoges Computing eine weitaus bessere Hardware-Metapher für das Gehirn sein kann.

Warten Sie, was ist das? Der Dezember brachte uns eine Ausgabe der Natur mit einem wirklich seltsamen neurowissenschaftlichen Artikel. Ein Artikel über die Rolle des Hippocampus im Gedächtnis. Im Gegensatz zu den meisten seltsamen Papieren war dieses seltsam für das, was nicht darin war. Keine auffällige Genetik; keine trickreiche Optogenetik, um Neuronen dazu zu bringen, weltfremde Dinge zu tun; keine DREADDs zur Kontrolle spezifischer Neuronen mit Designerchemikalien; keine Neuropixel oder Kalziumbildgebung zur Aufzeichnung von Hunderten oder Tausenden von Neuronen; Tatsächlich keine Aufnahme von Einheiten. Nur Verhalten, chemische Läsionen für die Kausalität und EEG / LFP zur Verfolgung von Schlafzuständen. Wie etwas aus den späten 80ern. Wie waren die statistischen Analysen (ernsthaft Natur, Balkendiagramme mit einseitigen Fehlerbalken im Jahr 2018?).

Aber es war ein interessanter Fall für wissenschaftliche Einsichten, und da ist es in der Natur. Ungewöhnliches Auftreten oder Wendepunkt, um wissenschaftliche Erkenntnisse über Flash zu gewinnen? Weiter bis 2019, um es herauszufinden. Wir sehen uns dort!

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