Informatie

Echte unipolaire neuronen bestaan ​​inderdaad in de mens?


Ik heb onderzocht dat de unipolaire neuronen in het menselijk lichaam niet echt unipolair zijn, maar dat zijn ze wel pseudounipolair neuronen. Aan de andere kant, volgens wat ik begreep van wikipedia (neuron) zijn er echt unipolaire neuron.

Sterker nog, ik ben in de war (of unipolaire cellen wel of niet in het menselijk lichaam bestaan) en ik zou je hier graag hulp bij willen krijgen.


Eencellige detectie van uitgescheiden Aβ en sAPPα van menselijke IPSC-afgeleide neuronen en astrocyten

Afgescheiden factoren spelen een centrale rol in normale en pathologische processen in elk weefsel in het lichaam. De hersenen zijn samengesteld uit een zeer complex milieu van verschillende celtypes en er bestaan ​​maar weinig methoden die kunnen identificeren welke individuele cellen in een complex mengsel specifieke analyten afscheiden. Door te identificeren welke cellen verantwoordelijk zijn, kunnen we de neurale fysiologie en pathofysiologie beter begrijpen, gemakkelijker de onderliggende paden identificeren die verantwoordelijk zijn voor de productie van analyten en deze informatie uiteindelijk gebruiken om de ontwikkeling van nieuwe therapeutische strategieën te begeleiden die zich richten op de celtypen die relevant zijn. We presenteren hier een methode voor het detecteren van analyten die worden uitgescheiden door enkelvoudige menselijke geïnduceerde pluripotente stamcel (iPSC)-afgeleide neurale cellen en hebben de methode toegepast om amyloïde β (Aβ) en oplosbaar amyloïde precursor-eiwit-alfa (sAPPα), analyten die centraal staan ​​in de ziekte van Alzheimer, te meten pathogenese van de ziekte. Door middel van deze onderzoeken hebben we het dynamische bereik van secretieprofielen van deze analyten van enkele van iPSC afgeleide neuronale en gliacellen blootgelegd en hebben we subpopulaties van deze cellen moleculair gekarakteriseerd door middel van immunokleuring en genexpressieanalyses. Bij het onderzoeken van Aβ- en sAPPα-secretie uit afzonderlijke cellen, waren we in staat om eerder niet gewaardeerde complexiteiten in de biologie van APP-splitsing te identificeren die anders niet zouden zijn gevonden door gemiddelde responsen over pools van cellen te bestuderen. Deze techniek kan gemakkelijk worden aangepast aan de detectie van andere analyten die worden uitgescheiden door neurale cellen, wat het potentieel zou hebben om nieuwe perspectieven te openen voor de ontwikkeling en disfunctie van het menselijke CZS.

BELANGRIJK VERKLARING We hebben een technologie ontwikkeld die, voor de eerste keer, uitgescheiden analyten van afzonderlijke menselijke neuronen en astrocyten detecteert. We onderzoeken de secretie van de voor de ziekte van Alzheimer relevante factoren amyloïde β (Aβ) en oplosbaar amyloïde precursor-eiwit-alfa (sAPPα) en presenteren nieuwe bevindingen die niet zouden zijn waargenomen zonder een eencellig analytisch platform. Ten eerste identificeren we een voorheen niet gewaardeerde subpopulatie die hoge niveaus van Aβ afscheidt in de afwezigheid van detecteerbaar sAPPα. Verder laten we zien dat meerdere celtypen hoge niveaus van Aβ en sAPPα afscheiden, maar cellen die GABAerge neuronale markers tot expressie brengen, zijn oververtegenwoordigd. Ten slotte laten we zien dat astrocyten competent zijn om hoge niveaus van Aβ uit te scheiden en daarom een ​​belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de accumulatie van Aβ in de hersenen.


De werkelijkheid is virtueel

Dat, zo voorspelt de evolutionaire speltheorie, is wat evolutie voor ons heeft gedaan. Natuurlijke selectie heeft ons sensorische systemen gegeven die een vereenvoudigende gebruikersinterface zijn voor de complexiteit van de wereld. De ruimte, zoals we die om ons heen waarnemen, is een 3D-computerbureaublad, met daarin tafels, stoelen, de maan en de bergen.

Met andere woorden, onze zintuigen vormen een virtuele realiteit. Als je de videogame Grand Theft Auto speelt met een virtual-reality add-on, zie je een 3D-wereld met 3D-objecten, zoals een zwart stuurwiel voor je. Als je echter je hoofd draait, verdwijnt het stuur. Het houdt inderdaad op te bestaan, omdat het alleen bestaat als we kijken waar het in de simulatie zou moeten zijn. De realiteit die bestaat&mdashcircuits en software opnieuw&mdashi is totaal anders dan een stuur. Maar het vraagt ​​je om een ​​stuur te maken wanneer dat nodig is, en om het te vernietigen wanneer dat nodig is.

Onze zintuigen vertellen ons alleen wat we moeten weten om te overleven
kunst van Rudi Sebastian

Op dezelfde manier creëren we een appel als we kijken en vernietigen we hem als we wegkijken. Er bestaat iets als we niet kijken, maar het is een appel en het lijkt waarschijnlijk helemaal niet op een appel. De menselijke perceptie van een appel is een gegevensstructuur die iets eetbaars aangeeft (een fitness-uitbetaling) en hoe het te eten. We creëren deze datastructuren in een oogopslag en wissen ze in een oogwenk. Fysieke objecten, en inderdaad de ruimte en tijd waarin ze bestaan, zijn de evolutionaire manier om fitness-uitbetalingen in een compacte en bruikbare vorm te presenteren.

Maar wacht even, laat de appel vallen. Een leeuw op de Afrikaanse savanne is niet meer dan een icoon in je interface. Het heeft keuzevrijheid en kan je doden, dus het moet objectief echt zijn.

Ik zou met een leeuw rotzooien, om dezelfde reden zou ik het groene icoon van mijn roman achteloos naar de virtuele prullenbak slepen. Niet omdat ik dat icoon letterlijk neem en de roman groen en rechthoekig vind. Maar ik neem dat icoon wel serieus: als ik het naar de prullenbak sleep, kan ik al mijn werk kwijtraken.

Het bezwaar dat een leeuw objectief echt moet zijn, omdat iedereen die daar kijkt een leeuw ziet waar we het allemaal over eens zijn, eruitziet als een leeuw, dus het is ook uniek voor onze subjectieve ervaring. Mensen zijn het eens over wat we zien, omdat we allemaal een vergelijkbare interface hebben ontwikkeld. De interfaces van sommige andere soorten, zoals prooizoogdieren, kunnen pictogrammen voor leeuwen hebben die vergelijkbaar zijn met die van ons, en die acties sturen die vergelijkbaar zijn met die van ons, zoals ver weg blijven.

Dat laat het feit over dat het behandelen van onze waargenomen, subjectieve realiteit als objectieve realiteit ons in staat heeft gesteld wetenschappelijke theorieën en kaders te creëren die ons in staat stellen voorspellingen te doen over hoe de wereld werkt, en dus vermoedelijk deel uitmaken van een objectieve realiteit die buiten ons hoofd bestaat. Maar ook hier zijn er hints van diep in de wetenschap zelf dat perceptie en werkelijkheid niet overeenkomen.

De kwantumtheorie is onze beste natuurkundige theorie van de fundamentele werkelijkheid. Maar met zijn contra-intuïtieve effecten van "spookachtige actie op afstand" en het eeuwigdurende mysterie van de dood-maar-levende SchrÃoemldinger's-kat, drijft het een koets en paarden door gekoesterde ideeën uit ons klassieke ervaringsgebied: dat objecten bepaalde waarden hebben van de eigenschappen die erop betrekking hebben, dat die eigenschappen niet afhangen van hoe ze worden waargenomen, en dat invloeden zich niet sneller voortplanten dan licht.

Dit is schokkend als we aannemen dat objecten en hun meetbare eigenschappen deel uitmaken van een objectieve realiteit. Maar het is geen verrassing als we objecten en hun eigenschappen beschouwen als datastructuren die naar behoefte zijn gemaakt om fitness-uitbetalingen weer te geven. In dit geval zijn de waarden van eigenschappen afhankelijk van wanneer en hoe we ze maken.

Deze benadering sluit aan bij de kwantum-Bayesiaanse interpretatie van de kwantumtheorie, of QBism, waarin de onzekerheid die inherent is aan kwantumwaarnemingen zich allemaal in de hoofden van de waarnemers bevindt. Zoals drie pioniers van QBism, Christopher Fuchs, David Mermin en Rümldiger Schack het hebben gezegd: &ldquoEen meting onthult niet, zoals de term helaas doet vermoeden, een reeds bestaande stand van zaken. Het is een actie op de wereld door een agent die resulteert in het creëren van een resultaat en een nieuwe ervaring voor die agent. &lsquoInterventie&rsquo is misschien een betere term.&rdquo

Als de evolutionaire ideeën van ons team waar zijn, zou dat een impuls kunnen geven aan modellen van de kwantumtheorie die kwantumtoestanden zien, en de wiskundige en interpretatieve structuren eromheen, die niet noodzakelijkerwijs de realiteit weerspiegelen, maar alleen onze kennis ervan.

Maar het gaat verder. Zelfs percepties die zo schijnbaar fundamenteel zijn als ruimte en tijd, maken misschien niet echt deel uit van de objectieve realiteit. Dat inzicht zou ons kunnen helpen bij het zoeken naar theorieën die de twee grote theorieën in het hart van de moderne natuurkunde verenigen.

&ldquoZelfs percepties die zo fundamenteel zijn als ruimte en tijd maken misschien geen deel uit van de objectieve realiteit&rdquo

Decennialang hebben we geprobeerd om de kwantumtheorie te verzoenen met de algemene relativiteitstheorie, de zwaartekrachttheorie van Einstein die dicteert hoe het universum op grote schaal werkt. Op een heel basaal niveau zijn deze theorieën het niet eens over de aard van ruimte en tijd.

De algemene relativiteitstheorie vereist dat ruimte-tijd, de vierdimensionale structuur die ruimte en tijd samen vormen, vloeiend en continu is, terwijl een kwantumbeschrijving een gepixelde beschrijving vereist. Zoals de theoretisch natuurkundige Nima Arkani-Hamed heeft gezegd: &ldquoWe geloven bijna allemaal dat ruimte-tijd bestaat, dat ruimte-tijd gedoemd is te mislukken en vervangen moet worden door wat primitievere bouwstenen.&rdquo Toegegeven, niemand weet nog wat dat zou kunnen zijn, maar onze inzichten suggereren dat het vermoeden dat ze moeten worden vervangen juist is.

Het is alleen in de natuurkunde waar we onze ideeën over de werkelijkheid misschien moeten herzien om vooruitgang te boeken. Een andere is het oplossen van het “harde probleem&rdquo&rdquo van bewustzijn. Dit probleem van hoe en waarom onze hersenen bewuste ervaringen genereren, blijft ondanks eeuwenlang denken hardnekkig. Zoals bioloog Thomas Huxley het in 1869 formuleerde: &ldquoHoe komt het dat zoiets opmerkelijks als een bewustzijnsstaat ontstaat als gevolg van irriterend zenuwweefsel, even onverklaarbaar is als het verschijnen van de djinn, toen Aladdin over zijn lamp wreef.&rdquo

De hersenopwindende technologie van transcraniële magnetische stimulatie (TMS) illustreert hoe weinig vooruitgang we hebben geboekt. Stel dat we een TMS-eenheid in de buurt van uw hoofdhuid plaatsen, aan de rechterkant van uw hoofd, in de buurt van een gebied van de occipitale cortex dat V4 wordt genoemd. We zetten het apparaat aan en de sterke en gefocuste magnetische velden remmen de neurale activiteit in de buurt. Alle kleur vloeit weg uit de linker helft van je visuele wereld, je ziet alleen grijstinten. We zetten het apparaat uit en de kleur sijpelt er weer in.

kunstwerk door Marina Loeb


Het kleine brein in het hart

Dr. Andrew Armour van het UCLA Neurocardiology Research Center ontdekte een verfijnde verzameling neuronen in het hart die georganiseerd waren in een klein, complex zenuwstelsel. Het zenuwstelsel van het hart bevat ongeveer 40.000 neuronen, sensorische neurieten genaamd, die communiceren met de hersenen. Dr. Armor noemde deze ontdekking het "kleine brein in het hart". Het geheugen is een distributief proces, wat betekent dat je het niet kunt lokaliseren naar een neuron of een groep neuronen in de hersenen. Het geheugen zelf is verdeeld over het neurale systeem. Dus, waarom trekken we een lijn bij de hersenen? Misschien wordt het tijd dat we de functies van de hersenen onderscheiden van wat we de geest noemen.

Wat is de geest?

De geest wordt beschouwd als het centrum van het menselijk bewustzijn. Wetenschappers hebben altijd geprobeerd het te beschrijven als een gevolg van hersenfuncties. De hersenen werden altijd beschouwd als de primaire hardware. Een toenemende hoeveelheid bewijs suggereert echter dat de geest een geavanceerde software is die verder gaat dan de fysieke grenzen van onze schedels.

De geest bevindt zich niet alleen in de hersenen

Een citaat van wijlen Dr. Candace Pert, een farmacoloog aan de Georgetown University, verklaart de vreemde transplantatie-ervaringen. "De geest bevindt zich niet alleen in de hersenen, maar bestaat ook door het hele lichaam. De geest en het lichaam communiceren met elkaar via chemicaliën die bekend staan ​​als peptiden. Deze peptiden worden zowel in de hersenen als in de maag, in spieren en in al onze belangrijke organen aangetroffen. Ik geloof dat het geheugen overal in het peptide/receptornetwerk toegankelijk is. Een herinnering aan voedsel kan bijvoorbeeld worden gekoppeld aan de pancreas of lever en dergelijke associaties kunnen van de ene persoon naar de andere worden getransplanteerd."

Professor Dan Siegel van de UCLA School of Medicine beschrijft de geest als het opkomende zelforganiserende proces, zowel belichaamd als relationeel, dat de energie- en informatiestroom binnen en tussen ons reguleert. Deze definitie ondersteunt de bewering dat de geest zich uitstrekt buiten onze hersenen. Siegel gaat nog een stap verder. Hij gelooft dat de geest zich uitstrekt tot in een bepaalde ruimte buiten ons lichaam. Hij stelt dat de geest onze perceptie van het leven is en het leven zelf. Dat betekent dat het moeilijk is om onze persoonlijke kijk op de wereld te scheiden van onze interacties.


Resultaten

Isolatie van een besmettelijk SARS-CoV-2-virus

We hebben SARS-CoV-2 (SARS-CoV-2 NRW-42) geïsoleerd uit een nasofaryngeaal en orofaryngeaal uitstrijkje van een geïnfecteerde patiënt die is opgenomen in ons universitair ziekenhuis, Universiteit van Düsseldorf (zie de sectie Materialen en methoden voor kweken en vermeerderen). Om te onderzoeken of SARS-CoV-2 repliceert in geïnoculeerde niercellen van Afrikaanse groene apen (Vero CCL-81), hebben we realtime kwantitatieve polymerasekettingreactie (qPCR) -analyse uitgevoerd met celcultuursupernatant. De hoeveelheid SARS-CoV-2 RNA nam drastisch toe van 0 dpi tot 3 dpi (bijlage figuur S1A). Vervolgens analyseerden we de besmettelijkheid van gegenereerde SARS-CoV-2-deeltjes door virusbevattende supernatant te verspreiden naar nog niet-geïnfecteerde Vero-cellen. We hebben de infectie van nieuwe Vero-cellen bevestigd door de opkomst van door virus geïnduceerde cytopathische effecten (CPE's) en een toename van SARS-CoV-2-RNA boven 4 dpi. De sequentie (toegangsnummer PRJNA627229 bij het European Nucleotide Archive en het Sample-toegangsnummer voor NRW-42 dat SRS6522060 is) vertoonde slechts acht nucleotide-uitwisselingen in vergelijking met SARS-CoV-2 Wuhan-Hu-1-isolaat.

Isolatie en validatie van COVID-19 herstellend serum om SARS-CoV-2-infectie te detecteren

Vanaf 1 april 2020 konden we geen commerciële antilichamen verkrijgen die specifiek SARS-CoV-2-infectie kunnen bepalen. Daarom hebben we COVID-19 herstellend serum geïsoleerd en getest of ze specifiek SARS-CoV-2-infecties kunnen herkennen in onze experimenten. We hebben bloedmonsters genomen van vier onafhankelijke personen die onlangs herstelden van COVID-19 (AB1, AB2, AB3 en AB4). Door ze te testen in een enzymgekoppelde immunosorbenttest (ELISA) die het SARS-CoV-2 S1-domein van het spike-eiwit als een antigeen gebruikte, bleek dat, behalve AB2, de rest van het herstellende serum SARS-CoV-2-specifiek bevatte IgG (bijlage figuur S1B). Vervolgens hebben we het herstellende serum op affiniteit gezuiverd tegen de volledige ORF van SARS-CoV-2-N (zie de sectie Materialen en methoden). In Western-blots, die extracten van hersenorganoïden en Vero-cellen gebruikten die waren blootgesteld aan SARS-CoV-2, herkenden de door affiniteit gezuiverde antilichamen uit herstellend serum specifiek een signaal dat vergelijkbaar was met de grootte van het nucleoproteïne van SARS-CoV-2. De recombinante SARS-CoV-2-N dient als positieve controle in dit experiment (bijlage figuur S1C). Het herstellende serum AB4 herkende ook specifiek SARS-CoV-2-geïnfecteerde Vero-cellen. Om de specificiteit van de AB4 verder te valideren, hebben we co-immunokleuring uitgevoerd met een monoklonaal anti-SARS-CoV-2 S van muis en een polyklonaal anti-SARS-CoV-2 NP. Zoals verwacht herkenden al deze antilichamen alleen de SARS-CoV-2-geïnfecteerde Vero-cellen (bijlage figuur S2A). Evenzo zou AB4 specifiek soma's van SARS-CoV-2-positieve cellen kunnen herkennen in aan SARS-CoV-2 blootgestelde hersenorganoïden die verder waren gelabeld door het monoklonale anti-SARS-CoV-2 S-antilichaam (bijlage figuur S2B). In Western-blots die aan SARS-CoV-2 blootgestelde organoïde extracten gebruikten, herkenden zowel AB4- als muismonoklonale antilichamen eiwitbanden van ongeveer 50 en 180 kDs, groottes vergelijkbaar met het nucleoproteïne en niet-gesplitste spike-eiwitten. Samen valideren deze experimenten dat AB4 SARS-CoV detecteert -2 infectie (Bijlage Fig S2C).

SARS-CoV-2 richt zich op neuronen van organoïden in de menselijke hersenen

Voordat we onze 3D-organoïden van de menselijke hersenen infecteerden met het nieuwe SARS-CoV-2 NRW-42-isolaat, hebben we eerst getest of onze experimentele omstandigheden geschikt zijn om de goed bestudeerde ciliated humane respiratoire epitheelcellen (hREC's), een schijnbaar doelwit voor de SARS-CoV-2 (Lamers) et al, 2020 ). We hebben gemerkt dat SARS-CoV-2 zich gemakkelijk richt op hREC's binnen 2 dagen na blootstelling aan het virus (Fig 1A). Vervolgens hebben we getest of SARS-CoV-2 3D-organoïden van de menselijke hersenen zou kunnen infecteren. Om dit te doen, hebben we ons eerder beschreven protocol en gedifferentieerde hersenorganoïden aangepast van twee verschillende iPSC-lijnen (Donor 1, IMR90 en Donor 2, Crx-iPS Gabriel et al, 2017 ). Kortom, we begonnen met 10.000 iPSC's en induceerden differentiatie in neuraal epitheel rechtstreeks met behulp van respectievelijk SB431542 en dorsomorfine, de TGF-bèta- en BMP4-remmers. Onze differentiatieconditie omvatte niet ook een exogene toevoeging van retinoïnezuur, dat retinoïnezuurreceptoren (RAR) zou kunnen activeren en een afwijkende neuronale differentiatie zou kunnen induceren (Janesick et al, 2015 Gabriël et al, 2016 , 2017 Gabriel & Gopalakrishnan, 2017). Omdat deze methode de vorming van embryoïde lichamen overslaat, vermindert het de heterogeniteit in organoïde groottes en vermijdt tegelijkertijd de vorming van mesoderm en endoderm, die niet vereist zijn voor ectodermale differentiatie in vroege stadia van differentiatie (Streit et al, 2000 ). Zoals eerder beschreven, vertonen organoïden hun specifieke neuronale celtypen, die ruimtelijk beperkt zijn. De ventriculaire zone (VZ) herbergt prolifererende neurale progenitorcellen (NPC's) die typisch langwerpige kernen vertonen die zijn uitgelijnd om een ​​lumen te vormen, een neurale buisachtige structuur. Corticale neuronen zijn basaal ten opzichte van de VZ gepositioneerd en vormen een corticale plaat (Fig 1B) (Lancaster & Knoblich, 2014 Giandomenico & Lancaster, 2017 Gopalakrishnan, 2019).

Figuur 1. SARS-CoV-2 richt zich op het corticale gebied van organoïden van de menselijke hersenen

  • A. Een positief controle-experiment. SARS-CoV-2 richt zich gemakkelijk op ciliated humane respiratoire epitheelcellen (hREC's). Geacetyleerde α-tubuline-labels cilia. Pijlen wijzen op SARS-CoV-2-positieve cellen die zijn gelabeld met AB4 (groen). Cijfers geven schaalbalken weer. Staafdiagram rechts kwantificeert frequenties van SARS-CoV-2-positieve cellen in hREC's. Ten minste zes hREC-secties van drie (N = 3) onafhankelijke monsters werden onderzocht. Gegevens gepresenteerd als gemiddelde ± SEM.
  • B. Mock-organoïden van twee leeftijdsgroepen Dag-15 (i) en -60 (ii) vertonen typische cytoarchitectuur van hersenorganoïden. L, lumen, VZ, ventriculaire zone bevat compacte en palissade-achtige langwerpige kernen van neurale voorlopercellen (NPC's, blauw) en CP, een corticale plaat met TUJ-1-positieve neuronen (magenta). Let op een duidelijk verschil TUJ-1 labelpatroon tussen jongere (dag-15) en oudere (dag-60) hersenorganoïde. Cijfers geven schaalbalken weer. Representatieve afbeeldingen van acht organoïden gekweekt in ten minste drie onafhankelijke batches (N = 3) afgeleid van donor-1 (IMR90) iPSC-lijn.
  • C. Vergeleken met nep-organoïden (i), vertonen SARS-CoV-2-blootgestelde dag-15-organoïden SARS-CoV-2-positieve cellen (AB4, groen) in hun buitenste periferie, een gebied van de corticale plaat (ii) dat wordt gespecificeerd door TUJ-1-positieve neuronen (magenta). L, het lumen van een VZ, het binnengebied van een organoïde waar NPC's zich bevinden, is vrij van SARS-CoV-2-positieve cellen. Vergroot gebied (gestippeld terwijl vak) wordt hieronder weergegeven. Minimaal 10 organoïden uit vijf verschillende batches (N = 5) worden getest. Cijfers geven schaalbalken weer.
  • D. SARS-CoV-2-blootgestelde Day-60 organoïden. Vergeleken met organoïden op dag 15 en mock (i), vertonen organoïden op dag 60 een verhoogd aantal SARS-CoV-2-positieve cellen (AB4, groen) in hun corticale plaat dat wordt gespecificeerd door TUJ-1-positieve neuronen (magenta) (ii). Vergrote regio (gestippeld terwijl vak) wordt hieronder weergegeven, met de perinucleaire locatie van SARS-CoV-2 in corticale neuronen. Minimaal 10 organoïden uit vijf verschillende batches (N = 5) worden getest. Cijfers geven schaalbalken weer.
  • E. Het staafdiagram kwantificeert frequenties van SARS-CoV-2-positieve cellen in verschillende hersenorganoïde secties die zijn afgeleid van twee donor-iPSC-lijnen (IMR90 en Crx-iPS, zie Materialen en methoden). Houd er rekening mee dat elk punt één organoïde sectie vertegenwoordigt. SARS-CoV-2 vertoont een verbeterd tropisme voor dag-60-organoïden. Let op, vergelijkende statistieken worden weergegeven tussen verschillende leeftijdsgroepen en respectieve dagen na infectie (dpi) van organoïden, en de significantie wordt gegeven als sterretjes in dag-60-groepen. Er is geen significant verschil in SARS-CoV-2-positieve cellen tussen 2- en 4-dpi binnen elke leeftijdsgroep. Minstens twaalf organoids secties van vier (N = 4) onafhankelijke batches, van elke donor en dag na infectie (dpi), werden geanalyseerd. One-way ANOVA, gevolgd door Tukey's meervoudige vergelijkingstest, ***P < 0,001. Gegevens gepresenteerd als gemiddelde ± SEM.
  • F. Subcellulaire lokalisatie SARS-CoV-2 in corticale neuronen. Beeldvorming met hoge resolutie en deconvolutie tonen perinucleaire lokalisatie van SARS-CoV-2. SARS-CoV-2 (AB4, groen) en kern (grijs). Cijfers geven schaalbalken weer. Representatieve beelden van ten minste 200 cellen worden onderzocht. Witte lijn omringt perinucleaire grens en rode lijn omringt de kern.
  • G. Bepaling van viraal nageslacht. Supernatanten van aan SARS-CoV-2 blootgestelde Vero-cellen en hersenorganoïden werden geanalyseerd op viraal RNA, beoordeeld met qRT-PCR. Hoewel een toename van viraal RNA werd gedetecteerd in de supernatanten van Vero-cellen, werd er geen duidelijke toename vastgesteld in supernatanten van hersenorganen. Gegevens worden verkregen van vijf technische replica's van vier (N = 4) onafhankelijke partijen organoïden. Gegevens gepresenteerd als gemiddelde ± SEM.

We hebben ten minste twee verschillende leeftijdsgroepen van organoïden (dag-15 en dag-60) blootgesteld aan SARS-CoV-2 (TCID50/ml van 50 wat gelijk is aan 17,5 PFU/organoïde, zie de sectie Materialen en methoden voor details) en geanalyseerd na 2 en 4 dagen na infectie (dpi). Eerst zijn we begonnen met het analyseren van dag-15 organoïden, een ontwikkelingsstadium dat wordt gebruikt om ZIKV-infecties te bestuderen (Gabriel et al, 2017 ). In dit ontwikkelingsstadium vormen organoïden meestal actief prolifererende NPC's aan de VZ's en een primitieve corticale plaat die minder vroege neuronen bevat (figuur 1B). Het testen van de doelceltypen van SARS-CoV-2 in deze organoïden onthulde dat SARS-CoV-2 zich voornamelijk zou kunnen richten op de corticale plaat gespecificeerd door pan-neuronale marker TUJ-1 die ruimtelijk verschilt van de VZ (Fig 1C en Bijlage Fig S2D ). Om de mogelijkheid uit te sluiten dat het virus een beperkte diffusiecapaciteit heeft om zich te richten op NPC's in het binnenste deel van de intacte 3D-organoïden, hebben we de 2D-culturen van NPC's direct blootgesteld aan SARS-CoV-2. In vergelijking met 2D corticale neuronale culturen vertoonden NPC-culturen slechts minder cellen die positief waren voor SARS-CoV-2. Deze bevindingen geven aan dat SARS-CoV-2 een tropisme heeft dat de voorkeur heeft boven neuronen, zoals onlangs is gemeld (preprint: Mesci et al, 2020 voordruk: Lied et al, 2020 Yang et al, 2020a) (Bijlage Fig S3A). Dit staat inderdaad in schril contrast met ZIKV, dat zich direct richt op NPC's die aanwezig zijn in het binnenste gebied van hersenorganoïden en hen ertoe aanzet om voortijdig te differentiëren in neuronen, wat leidt tot aangeboren microcefalie (Cugola et al, 2016 Qian et al, 2016 Gabriël et al, 2017 ).

Analyse van de corticale regio's van dag-60-organoïden onthulde dat het aantal SARS-CoV-2-positieve cellen significant hoger was dan in dag-15-organoïden. Dit suggereert dat SARS-CoV-2 de voorkeur geeft aan relatief volwassen neuronale celtypen die aanwezig zijn in oudere organoïden (Fig. 1D en E). Dag-60 organoïden vertoonden inderdaad tekenen van rijping zoals beoordeeld door meer MAP2-positieve neuronen, S100β-positieve astrocyten en minder Iba-1-positieve microgliale cellen (bijlage Fig. S3B-D). Belangrijk is dat de perinucleaire lokalisatie van SARS-CoV-2 in soma's van corticale neuronen vergelijkbaar is met het lokalisatiepatroon van het virus in Vero-cellen, wat aangeeft dat SARS-CoV-2 neuronale cellen van hersenorganoïden kan binnendringen (figuur 1F). Door onze analyse te richten op het latere tijdstip van infectie (dpi-4 en dpi-6) bleek er geen duidelijke toename van SARS-CoV-2-positieve cellen, hoewel dpi-6-organoïden een enigszins aangetaste integriteit vertoonden (Fig 1E en Bijlage Fig S4A) . Dit bevestigt dat we geen toename van viraal RNA in de supernatanten tussen 2- en 4-dpi konden detecteren (Fig. 1G). In tegenstelling tot hersenorganoïden infecteert SARS-CoV-2 productief vasculaire, nier- en darmorganoïden (Lamers et al, 2020 Monteil et al, 2020 Zhou et al, 2020 ). Met name angiotensine-converting enzyme 2 (ACE-2), een ingangsreceptor van SARS-CoV-2, komt sterk tot expressie in deze organoïde typen. Het testen van de ACE-2-expressie op mRNA-niveau via een qRT-PCR onthulde dat zowel iPSCs-afgeleide hersenorganoïden als neuronen vertoonden

12,5 en 50 keer minder dan menselijke respiratoire epitheelcellen (hREC), die als positieve controle dienden (bijlage Fig S4B). Onze Western-blots die anti-ACE2-antilichamen gebruikten, herkenden ACE2 in organoïde-extracten alleen bij hogere blootstellingsomstandigheden (bijlage figuur S4C).

Aangezien SARS-CoV-2 zich bij voorkeur lijkt te richten op neuronen, vroegen we ons af of SARS-CoV-2 productief zou kunnen repliceren bij blootstelling aan een overvloedig aantal volwassen neuronen. Om dit te testen, hebben we organotypische plakjes van 60 dagen oude organoïden gekweekt, een alternatieve organoïde kweekmethode die de neuronale rijping en levensvatbaarheid verbetert. Deze culturen vertonen neuronale uitgroeisels als axonale vezels op lange afstand die rijpe neuronale markers van MAP2, Tau, synapsin-1 en PSD95 tot expressie brengen (Gabriel et al, 2016 Giandomenico et al, 2019 Goranci-Buzhala et al, 2020 ). Nadat we deze plakjes direct aan SARS-CoV-2 hadden blootgesteld, ontdekten we het virus gelokaliseerd in de cellichamen van de neuronen die zijn gelabeld door MAP2 en Tau (bijlage Fig. S5A en B). We merkten slechts een lichte toename van SARS-CoV-2 RNA binnen 2 dagen na virale blootstelling (bijlage Fig S5C). Deze experimenten tonen aan dat SARS-CoV-2 neuronen van hersenorganoïden binnendringt, maar niet actief repliceert.

SARS-CoV-2-positieve neuronen onthullen afwijkende Tau-lokalisatie

Vervolgens hebben we vastgesteld dat het SARS-CoV-2-positieve gebied van de corticale plaat verder wordt onderbouwd door Tau, een microtubule-geassocieerd eiwit dat neuronale microtubuli stabiliseert en axonale groei bevordert (Fig 2) (Wang & Mandelkow, 2016). Tau-disfunctie is betrokken bij de ziekte van Alzheimer (AD) en andere Tauopathieën. Post-translationele modificaties in Tau, in het bijzonder fosforyleringen, moduleren het vermogen van Tau om microtubuli te binden en te assembleren. Bij tauopathieën wordt Tau afwijkend gefosforyleerd (hyperfosforylering Cho & Johnson, 2004 Cohen et al, 2011 Castellani & Perry, 2019 ). Een recent rapport toonde aan dat herpes simplex-virus type 1 AD-achtige effecten kan induceren, waaronder hyperfosforylering van Tau in 3D menselijk hersenachtig weefselmodel (Cairns et al, 2020 ). Dit was voor ons aanleiding om te onderzoeken of SARS-CoV-2 gevolgen heeft bij het binnendringen in neuronen.

Figuur 2. SARS-CoV-2 dereguleert Tau in corticale neuronen

  • A. Tau-immunoreactiviteit (magenta) specificeert de corticale plaat (CP) rond het lumen (L) (i). Geselecteerde optische secties bij hoge vergroting (ii en iii) en beeldvorming met hoge resolutie (iv) tonen Tau-lokalisatie alleen in axonen van corticale neuronen. Merk op dat de soma's van neuronen vrij zijn van Tau-eiwit. Minstens acht organoïden uit vier verschillende batches (N = 4) worden getest. Cijfers geven schaalbalken weer.
  • B. Tau-lokalisatie in SARS-CoV-2-positieve neuronen (AB4, groen) in geselecteerde optische secties (i). Merk daarentegen op dat voor controlegroepen aan SARS-CoV-2 blootgestelde organoïden mislokaliseerde Tau (magenta) voornamelijk in de soma's van neuronen (pijlpunten) vertonen. Geselecteerde confocale plakjes worden getoond om Tau-mislokalisatie te onderscheiden in neuronale soma (pijlpunten). Bij hoge vergroting wordt neuronale soma verder gespecificeerd door de perinucleaire lokalisatie van SARS-CoV-2 (groen) (ii en iii). Staafdiagrammen aan de rechterkant kwantificeren het percentage neuronen (Mock en SARS-CoV-2 blootgesteld) die verkeerd gelokaliseerde Tau (iv) vertonen en de fractie SARS-CoV-2-positieve neuronen die Tau-positieve axonen vertonen die verschillende corticale gebieden overspannen (v). Voor statistieken, ten minste 300 cellen van zes organoïden uit vier verschillende batches (N = 4) werden getest. Cijfers geven schaalbalken weer. ongepaarde t-test met Welch's correctie, ***P < 0,001. Gegevens gepresenteerd als gemiddelde ± SD.
  • C. Schematische cartoon van differentiële Tau-verdeling in mock vergeleken met SARS-CoV-2-positieve neuronen. In mock wordt Tau voornamelijk gesorteerd op axonen. In SARS-CoV-2-positieve neuronen wordt Tau verkeerd gesorteerd in de soma (bepaald door Pan-Tau-antilichaam). Bovendien lokaliseert gefosforyleerd Tau (op T231) voornamelijk in de soma (onderste paneel, bepaald door Tau AT-180-antilichaam, zie hieronder).
  • D. In tegenstelling tot controles (i), lokaliseert Tau AT180-antilichaam (magenta) dat specifiek het gefosforyleerde Threonine 231 van Tau-eiwit herkent duidelijk op de soma's van SARS-CoV-2-positieve neuronen (AB4, groen) (ii). Minimaal vier organoïden uit twee verschillende batches (N = 2) worden getest. Cijfers geven schaalbalken weer.
  • E. Co-lokalisatie van SARS-CoV-2 (AB4, groen) en gefosforyleerd Tau-eiwit (magenta) op soma's van corticale neuronen onthuld door beeldvorming met hoge resolutie en deconvolutie. Representatieve afbeeldingen van ten minste 300 onderzochte cellen. Cijfers geven schaalbalken weer.
  • F. Het staafdiagram kwantificeert de fractie van Tau AT180-positieve neuronen die co-lokaliseren met SARS-CoV-2-positieve neuronen. Voor statistieken, ten minste 250 cellen van vier organoïden en twee onafhankelijke batches (N = 2) werden onderzocht. ongepaarde t-test met Welch's correctie. Gegevens gepresenteerd als gemiddelde ± SEM.

Onder fysiologische omstandigheden is Tau voornamelijk een axonaal eiwit dat zich lokaliseert op de axonen van volwassen neuronen (Fig 2Ai-iv). Door beeldvorming met hoge resolutie toe te passen, gevolgd door deconvolutie, konden we de lokalisatie van Tau visualiseren (zoals onderzocht door een Pan-Tau-antilichaam Tau5A6) uitsluitend in axonen van de corticale neuronen (Fig 2Av). De term Tau "missortering" wordt gebruikt wanneer Tau-eiwit verkeerd is gelokaliseerd in een celsoma en wordt waargenomen in de vroege stadia van Tau-pathologie (Zempel & Mandelkow, 2014).

Vergeleken met controleorganoïden waar Tau normaal gesproken in axonen lokaliseert, vertoonden SARS-CoV-2-positieve neuronen een veranderd Tau-lokalisatiepatroon, hoewel het een uitdaging was om mislokalisatie van Tau in 3D-weefsels te visualiseren. Niettemin konden we met behulp van geselecteerde confocale secties een veranderde Tau-lokalisatie in SARS-CoV-2-positieve neuronen afbeelden. In het bijzonder identificeerden we een verhoogd niveau van Tau in de soma's van de SARS-CoV-2-positieve neuronen. Belangrijk is dat we fracties van deze neuronen konden visualiseren die nog steeds Tau en TUJ-1 in hun axonen bevatten, wat aangeeft dat deze neuronen nog steeds levensvatbaar zijn (Fig 2B en C en Bijlage Fig S6A).

Tijdens de pathogenese van AD en andere Tauopathieën wordt Tau ook op meerdere plaatsen hypergefosforyleerd. Sequentiële fosforylering op verschillende locaties leidt uiteindelijk tot hyperfosforylering van Tau (Castellani & Perry, 2019). Fosforylering van Threonine 231 (T231) is een van de eerste gebeurtenissen in de cascade van fosforylering en reguleert de binding van microtubuli. Toch is het ook betrokken bij ziekteprogressie zoals het loslaten van Tau uit axonale microtubuli (Sengupta et al, 1998 Augustinack et al, 2002a , b Luna-Munoz et al, 2007 Alonso et al, 2010 Vorst et al, 2015 ). Meer precies, we ontdekten dat in vergelijking met controle-organoïden, vroege Tau-fosforylatiemarker AT180 pT231Tau herkent die is gelokaliseerd in de soma van de SARS-CoV-2-positieve neuronen (Fig 2D-F). Beeldvorming van de neuronen voor extra gefosforyleerd Tau met behulp van AT8-antilichamen (specifiek voor S202 en T205 van Tau) en p396 (specifiek voor S396 van Tau) onthulde dat, in tegenstelling tot pT231Tau, deze fosfo-soorten beperkt waren tot de axonen en niet verkeerd lokaliseerden naar de soma van SARS-CoV-2-positieve neuronen (bijlage Fig S6B-E). In summary, these results demonstrate the aberrant localization of Tau pT231Tau in SARS-CoV-2-positive neurons suggesting the potential neuronal stress reactions upon virus entry.

SARS-CoV-2 induces neuronal cell death

Phosphorylation of Tau at T231 allows for isomerization of the following proline residue into distinct cis- en trans-conformations by the propyl-isomerase PIN1 (Lu et al, 1999 ). Cis-pT231Tau is acutely produced by neurons after traumatic brain injury, leading to disruption of the axonal microtubule network and apoptosis (Nakamura et al, 2012 Kondo et al, 2015 ). Analyzing the nuclei of SARS-CoV-2-positive cells (Fig 3A), we realized that they are highly condensed or fragmented exhibiting a strong reaction to 4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) that labels nuclei, a feature quite frequently observed in dead cells. To test neuronal cell death as a consequence of SARS-CoV-2 infection, we stained the SARS-CoV-2-exposed samples with terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling (TUNEL) that detects fragmented DNA in dead cells (Darzynkiewicz et al, 2008 ). Compared to un-exposed control organoids, we identified an overall increase in TUNEL-positive cells in SARS-CoV-2-exposed organoids suggesting that virus exposure has caused cell death within 2-dpi (Fig 3B). Staining for SARS-CoV-2-positive cells revealed that most of the virus-positive cells were TUNEL-positive. Besides, we also noticed that some SARS-CoV-2-positive cells were also positive for caspase-3, a protease that specifies programmed cell death (Fig 3C). Interestingly, a fraction of caspase-positive cells displayed pT231Tau localization at the cell soma. Furthermore, TUNEL-positive cells in un-exposed control organoids (which could be after programmed cell death) did not contain pT231Tau suggesting that this different Tau phosphorylation pattern is associated with SARS-CoV-2 entry (Fig 3Ciii). Thus, it appears that Tau is aberrantly phosphorylated in response to the viral-induced stress, which may elicit further cell death programs that remains to be elucidated.

Figure 3. SARS-CoV-2 induces of neuronal death

  • A. Cells from mock organoids display a healthy nucleus labeled by DAPI (blue) (i). SARS-CoV-2-positive cells (green) display condensed (middle panel, ii) and fragmented DNA (bottom panel, iii, arrows). At least 75 cells from two (N = 2) independent batches of organoids were examined. Figures display scale bars.
  • B. Compared to mock organoids, (i) SARS-CoV-2-exposed organoids (ii) display increased TUNEL-positive cells (displayed as inverted LUT) at the cortical plate that is specified by TUJ-1 (magenta). At least four organoids from two (N = 2) independent batches of organoids were examined. Figures display scale bars. The bar diagram below quantifies the frequencies of TUNEL-positive cells between mock and SARS-CoV-2-exposed organoids. Four organoids from two (N = 2) independent batches were examined. Unpaired t-test, *P < 0,05. Data presented as mean ± SD.
  • C. Most of the SARS-CoV-2-positive cells (AB4, green) are TUNEL-positive (i) and some of the SARS-CoV-2-positive cells are caspase-positive (ii). Caspase-positive cells in SARS-CoV-2-exposed organoids display pT231Tau localization at the cell soma specified by AT-180 (ii), which are not observed in mock organoids (iii). Arrowheads point SARS-CoV-2-positive cells (AB4, green) that are also positive for TUNNEL (red), caspase 3 (yellow), and Tau AT-180 (magenta). Figures display scale bars. Bar diagrams at right quantifies proportions of TUNEL and caspase-positive cells among SARS-CoV-2-positive cells. The second graph below quantifies the proportions of pT231Tau-positive cells among caspase-positive cells between control and virus exposed groups. At least 400 cells from four organoids and two independent (N = 2) batches were examined. Unpaired t-test, **P < 0,01. Data presented as mean ± SEM. TUNEL-positive cells in control un-exposed organoids do not contain pT231Tau (iii). Figures display scale bars. Bar diagrams at right quantifies proportions of pT231Tau-positive cells among TUNNEL-positive cells between control and virus exposed groups. At least 350 cells from 4 organoids and two independent (N = 2) batches were examined. Unpaired t-test, ***P < 0.001. Data presented as mean ± SEM.

Uit ons nummer van juni 2016

Bekijk de volledige inhoudsopgave en vind je volgende verhaal om te lezen.

Galton launched a debate that raged throughout the 20th century over nature versus nurture. Are our actions the unfolding effect of our genetics? Or the outcome of what has been imprinted on us by the environment? Impressive evidence accumulated for the importance of each factor. Whether scientists supported one, the other, or a mix of both, they increasingly assumed that our deeds must be determined by iets.

In recent decades, research on the inner workings of the brain has helped to resolve the nature-nurture debate—and has dealt a further blow to the idea of free will. Brain scanners have enabled us to peer inside a living person’s skull, revealing intricate networks of neurons and allowing scientists to reach broad agreement that these networks are shaped by both genes and environment. But there is also agreement in the scientific community that the firing of neurons determines not just some or most but alle of our thoughts, hopes, memories, and dreams.

We know that changes to brain chemistry can alter behavior—otherwise neither alcohol nor antipsychotics would have their desired effects. The same holds true for brain structure: Cases of ordinary adults becoming murderers or pedophiles after developing a brain tumor demonstrate how dependent we are on the physical properties of our gray stuff.

Many scientists say that the American physiologist Benjamin Libet demonstrated in the 1980s that we have no free will. It was already known that electrical activity builds up in a person’s brain before she, for example, moves her hand Libet showed that this buildup occurs before the person consciously makes a decision to move. The conscious experience of deciding to act, which we usually associate with free will, appears to be an add-on, a post hoc reconstruction of events that occurs na the brain has already set the act in motion.

The 20th-century nature-nurture debate prepared us to think of ourselves as shaped by influences beyond our control. But it left some room, at least in the popular imagination, for the possibility that we could overcome our circumstances or our genes to become the author of our own destiny. The challenge posed by neuroscience is more radical: It describes the brain as a physical system like any other, and suggests that we no more will it to operate in a particular way than we will our heart to beat. The contemporary scientific image of human behavior is one of neurons firing, causing other neurons to fire, causing our thoughts and deeds, in an unbroken chain that stretches back to our birth and beyond. In principle, we are therefore completely predictable. If we could understand any individual’s brain architecture and chemistry well enough, we could, in theory, predict that individual’s response to any given stimulus with 100 percent accuracy.

This research and its implications are not new. What is new, though, is the spread of free-will skepticism beyond the laboratories and into the mainstream. The number of court cases, for example, that use evidence from neuroscience has more than doubled in the past decade—mostly in the context of defendants arguing that their brain made them do it. And many people are absorbing this message in other contexts, too, at least judging by the number of books and articles purporting to explain “your brain on” everything from music to magic. Determinism, to one degree or another, is gaining popular currency. The skeptics are in ascendance.

This development raises uncomfortable—and increasingly nontheoretical—questions: If moral responsibility depends on faith in our own agency, then as belief in determinism spreads, will we become morally irresponsible? And if we increasingly see belief in free will as a delusion, what will happen to all those institutions that are based on it?

In 2002, two psychologists had a simple but brilliant idea: Instead of speculating about what might happen if people lost belief in their capacity to choose, they could run an experiment to find out. Kathleen Vohs, then at the University of Utah, and Jonathan Schooler, of the University of Pittsburgh, asked one group of participants to read a passage arguing that free will was an illusion, and another group to read a passage that was neutral on the topic. Then they subjected the members of each group to a variety of temptations and observed their behavior. Would differences in abstract philosophical beliefs influence people’s decisions?

Ja inderdaad. When asked to take a math test, with cheating made easy, the group primed to see free will as illusory proved more likely to take an illicit peek at the answers. When given an opportunity to steal—to take more money than they were due from an envelope of $1 coins—those whose belief in free will had been undermined pilfered more. On a range of measures, Vohs told me, she and Schooler found that “people who are induced to believe less in free will are more likely to behave immorally.”

It seems that when people stop believing they are free agents, they stop seeing themselves as blameworthy for their actions. Consequently, they act less responsibly and give in to their baser instincts. Vohs emphasized that this result is not limited to the contrived conditions of a lab experiment. “You see the same effects with people who naturally believe more or less in free will,” she said.

In another study, for instance, Vohs and colleagues measured the extent to which a group of day laborers believed in free will, then examined their performance on the job by looking at their supervisor’s ratings. Those who believed more strongly that they were in control of their own actions showed up on time for work more frequently and were rated by supervisors as more capable. In fact, belief in free will turned out to be a better predictor of job performance than established measures such as self-professed work ethic.

Another pioneer of research into the psychology of free will, Roy Baumeister of Florida State University, has extended these findings. For example, he and colleagues found that students with a weaker belief in free will were less likely to volunteer their time to help a classmate than were those whose belief in free will was stronger. Likewise, those primed to hold a deterministic view by reading statements like “Science has demonstrated that free will is an illusion” were less likely to give money to a homeless person or lend someone a cellphone.

Further studies by Baumeister and colleagues have linked a diminished belief in free will to stress, unhappiness, and a lesser commitment to relationships. They found that when subjects were induced to believe that “all human actions follow from prior events and ultimately can be understood in terms of the movement of molecules,” those subjects came away with a lower sense of life’s meaningfulness. Early this year, other researchers published a study showing that a weaker belief in free will correlates with poor academic performance.

The list goes on: Believing that free will is an illusion has been shown to make people less creative, more likely to conform, less willing to learn from their mistakes, and less grateful toward one another. In every regard, it seems, when we embrace determinism, we indulge our dark side.

Few scholars are comfortable suggesting that people ought to believe an outright lie. Advocating the perpetuation of untruths would breach their integrity and violate a principle that philosophers have long held dear: the Platonic hope that the true and the good go hand in hand. Saul Smilansky, a philosophy professor at the University of Haifa, in Israel, has wrestled with this dilemma throughout his career and come to a painful conclusion: “We cannot afford for people to internalize the truth” about free will.

Smilansky is convinced that free will does not exist in the traditional sense—and that it would be very bad if most people realized this. “Imagine,” he told me, “that I’m deliberating whether to do my duty, such as to parachute into enemy territory, or something more mundane like to risk my job by reporting on some wrongdoing. If everyone accepts that there is no free will, then I’ll know that people will say, ‘Whatever he did, he had no choice—we can’t blame him.’ So I know I’m not going to be condemned for taking the selfish option.” This, he believes, is very dangerous for society, and “the more people accept the determinist picture, the worse things will get.”

Determinism not only undermines blame, Smilansky argues it also undermines praise. Imagine I do risk my life by jumping into enemy territory to perform a daring mission. Afterward, people will say that I had no choice, that my feats were merely, in Smilansky’s phrase, “an unfolding of the given,” and therefore hardly praiseworthy. And just as undermining blame would remove an obstacle to acting wickedly, so undermining praise would remove an incentive to do good. Our heroes would seem less inspiring, he argues, our achievements less noteworthy, and soon we would sink into decadence and despondency.

Smilansky advocates a view he calls illusionism—the belief that free will is indeed an illusion, but one that society must defend. The idea of determinism, and the facts supporting it, must be kept confined within the ivory tower. Only the initiated, behind those walls, should dare to, as he put it to me, “look the dark truth in the face.” Smilansky says he realizes that there is something drastic, even terrible, about this idea—but if the choice is between the true and the good, then for the sake of society, the true must go.

Smilansky’s arguments may sound odd at first, given his contention that the world is devoid of free will: If we are not really deciding anything, who cares what information is let loose? But new information, of course, is a sensory input like any other it can change our behavior, even if we are not the conscious agents of that change. In the language of cause and effect, a belief in free will may not inspire us to make the best of ourselves, but it does stimulate us to do so.

Illusionism is a minority position among academic philosophers, most of whom still hope that the good and the true can be reconciled. But it represents an ancient strand of thought among intellectual elites. Nietzsche called free will “a theologians’ artifice” that permits us to “judge and punish.” And many thinkers have believed, as Smilansky does, that institutions of judgment and punishment are necessary if we are to avoid a fall into barbarism.

Smilansky is not advocating policies of Orwellian thought control. Luckily, he argues, we don’t need them. Belief in free will comes naturally to us. Scientists and commentators merely need to exercise some self-restraint, instead of gleefully disabusing people of the illusions that undergird all they hold dear. Most scientists “don’t realize what effect these ideas can have,” Smilansky told me. “Promoting determinism is complacent and dangerous.”

Yet not all scholars who argue publicly against free will are blind to the social and psychological consequences. Some simply don’t agree that these consequences might include the collapse of civilization. One of the most prominent is the neuroscientist and writer Sam Harris, who, in his 2012 book, Vrije wil, set out to bring down the fantasy of conscious choice. Like Smilansky, he believes that there is no such thing as free will. But Harris thinks we are better off without the whole notion of it.

“We need our beliefs to track what is true,” Harris told me. Illusions, no matter how well intentioned, will always hold us back. For example, we currently use the threat of imprisonment as a crude tool to persuade people not to do bad things. But if we instead accept that “human behavior arises from neurophysiology,” he argued, then we can better understand what is really causing people to do bad things despite this threat of punishment—and how to stop them. “We need,” Harris told me, “to know what are the levers we can pull as a society to encourage people to be the best version of themselves they can be.”

According to Harris, we should acknowledge that even the worst criminals—murderous psychopaths, for example—are in a sense unlucky. “They didn’t pick their genes. They didn’t pick their parents. They didn’t make their brains, yet their brains are the source of their intentions and actions.” In a deep sense, their crimes are not their fault. Recognizing this, we can dispassionately consider how to manage offenders in order to rehabilitate them, protect society, and reduce future offending. Harris thinks that, in time, “it might be possible to cure something like psychopathy,” but only if we accept that the brain, and not some airy-fairy free will, is the source of the deviancy.

Accepting this would also free us from hatred. Holding people responsible for their actions might sound like a keystone of civilized life, but we pay a high price for it: Blaming people makes us angry and vengeful, and that clouds our judgment.

“Compare the response to Hurricane Katrina,” Harris suggested, with “the response to the 9/11 act of terrorism.” For many Americans, the men who hijacked those planes are the embodiment of criminals who freely choose to do evil. But if we give up our notion of free will, then their behavior must be viewed like any other natural phenomenon—and this, Harris believes, would make us much more rational in our response.

Although the scale of the two catastrophes was similar, the reactions were wildly different. Nobody was striving to exact revenge on tropical storms or declare a War on Weather, so responses to Katrina could simply focus on rebuilding and preventing future disasters. The response to 9/11, Harris argues, was clouded by outrage and the desire for vengeance, and has led to the unnecessary loss of countless more lives. Harris is not saying that we shouldn’t have reacted at all to 9/11, only that a coolheaded response would have looked very different and likely been much less wasteful. “Hatred is toxic,” he told me, “and can destabilize individual lives and whole societies. Losing belief in free will undercuts the rationale for ever hating anyone.”

Whereas the evidence from Kathleen Vohs and her colleagues suggests that social problems may arise from seeing our own actions as determined by forces beyond our control—weakening our morals, our motivation, and our sense of the meaningfulness of life—Harris thinks that social benefits will result from seeing other people’s behavior in the very same light. From that vantage point, the moral implications of determinism look very different, and quite a lot better.

What’s more, Harris argues, as ordinary people come to better understand how their brains work, many of the problems documented by Vohs and others will dissipate. Determinism, he writes in his book, does not mean “that conscious awareness and deliberative thinking serve no purpose.” Certain kinds of action require us to become conscious of a choice—to weigh arguments and appraise evidence. True, if we were put in exactly the same situation again, then 100 times out of 100 we would make the same decision, “just like rewinding a movie and playing it again.” But the act of deliberation—the wrestling with facts and emotions that we feel is essential to our nature—is nonetheless real.

The big problem, in Harris’s view, is that people often confuse determinism with fatalism. Determinism is the belief that our decisions are part of an unbreakable chain of cause and effect. Fatalism, on the other hand, is the belief that our decisions don’t really matter, because whatever is destined to happen will happen—like Oedipus’s marriage to his mother, despite his efforts to avoid that fate.

When people hear there is no free will, they wrongly become fatalistic they think their efforts will make no difference. But this is a mistake. People are not moving toward an inevitable destiny given a different stimulus (like a different idea about free will), they will behave differently and so have different lives. If people better understood these fine distinctions, Harris believes, the consequences of losing faith in free will would be much less negative than Vohs’s and Baumeister’s experiments suggest.

Can one go further still? Is there a way forward that preserves both the inspiring power of belief in free will and the compassionate understanding that comes with determinism?

Philosophers and theologians are used to talking about free will as if it is either on or off as if our consciousness floats, like a ghost, entirely above the causal chain, or as if we roll through life like a rock down a hill. But there might be another way of looking at human agency.

Some scholars argue that we should think about freedom of choice in terms of our very real and sophisticated abilities to map out multiple potential responses to a particular situation. One of these is Bruce Waller, a philosophy professor at Youngstown State University. In zijn nieuwe boek Restorative Free Will, he writes that we should focus on our ability, in any given setting, to generate a wide range of options for ourselves, and to decide among them without external constraint.

For Waller, it simply doesn’t matter that these processes are underpinned by a causal chain of firing neurons. In his view, free will and determinism are not the opposites they are often taken to be they simply describe our behavior at different levels.

Waller believes his account fits with a scientific understanding of how we evolved: Foraging animals—humans, but also mice, or bears, or crows—need to be able to generate options for themselves and make decisions in a complex and changing environment. Humans, with our massive brains, are much better at thinking up and weighing options than other animals are. Our range of options is much wider, and we are, in a meaningful way, freer as a result.

Waller’s definition of free will is in keeping with how a lot of ordinary people see it. One 2010 study found that people mostly thought of free will in terms of following their desires, free of coercion (such as someone holding a gun to your head). As long as we continue to believe in this kind of practical free will, that should be enough to preserve the sorts of ideals and ethical standards examined by Vohs and Baumeister.

Yet Waller’s account of free will still leads to a very different view of justice and responsibility than most people hold today. No one has caused himself: No one chose his genes or the environment into which he was born. Therefore no one bears ultimate responsibility for who he is and what he does. Waller told me he supported the sentiment of Barack Obama’s 2012 “You didn’t build that” speech, in which the president called attention to the external factors that help bring about success. He was also not surprised that it drew such a sharp reaction from those who want to believe that they were the sole architects of their achievements. But he argues that we must accept that life outcomes are determined by disparities in nature and nurture, “so we can take practical measures to remedy misfortune and help everyone to fulfill their potential.”

Read Follow-Up Notes

Understanding hoe will be the work of decades, as we slowly unravel the nature of our own minds. In many areas, that work will likely yield more compassion: offering more (and more precise) help to those who find themselves in a bad place. And when the threat of punishment is necessary as a deterrent, it will in many cases be balanced with efforts to strengthen, rather than undermine, the capacities for autonomy that are essential for anyone to lead a decent life. The kind of will that leads to success—seeing positive options for oneself, making good decisions and sticking to them—can be cultivated, and those at the bottom of society are most in need of that cultivation.

To some people, this may sound like a gratuitous attempt to have one’s cake and eat it too. And in a way it is. It is an attempt to retain the best parts of the free-will belief system while ditching the worst. President Obama—who has both defended “a faith in free will” and argued that we are not the sole architects of our fortune—has had to learn what a fine line this is to tread. Yet it might be what we need to rescue the American dream—and indeed, many of our ideas about civilization, the world over—in the scientific age.


Current explanations from the field of neuroscience suggest that déjà vu occurs when the brain is slightly fatigued and working to 'fact check' a memory. We experience this as being odd because we become aware of the process.

Might we explore a different explanation for déjà vu if we were looking at it from the standpoint of time being non linear and perhaps opening up to the idea of a collective consciousness?

Neem even de tijd en adem. Plaats je hand op je borst, dichtbij je hart. Adem ongeveer een minuut langzaam in het gebied, waarbij u zich concentreert op een gevoel van gemak dat uw geest en lichaam binnendringt. Klik hier om te zien waarom we dit aanbevelen.

They say about 60% of people experience déjà vu during their life, right off the bat that hit me as something I didn’t expect as I feel like almost everyone I know has had it at one time or another. Déjà vu, (‘already seen’ to the French) is the feeling that you are re-living something that has happened before. In de film De Matrix, where déjà vu is perhaps most thought of in pop culture, Neo experiences a cat going by a doorway twice in a matter of seconds. Same cat, same moves, same everything.

In the film, this moment is presented as a ‘glitch in the matrix,’ however, in real life, déjà vu doesn’t often happen like what is seen in The Matrix, it instead feels as though you can’t recall when the ‘other memory’ happened, more so that what you are experiencing right now has already happened at some time.

Let’s dive into what some believe neuroscience is offering as an explanation.

What Happened:

According to experts like Dr Akira O’Connor, who is a senior psychology lecturer at the University of St Andrews, déjà vu is not only a feeling of familiarity, but also the metacognitive recognition that these feelings are misplaced. In simple terms:

“Déjà vu is basically a conflict between the sensation of familiarity and the awareness that the familiarity is incorrect. And it’s the awareness that you’re being tricked that makes déjà vu so unique compared to other memory events.”

Neuroscientists have determined that this memory illusion occurs when the frontal regions of the brain are attempting to correct an inaccurate memory.

“For the vast majority of people, experiencing déjà vu is probably a good thing. It’s a sign that the fact-checking brain regions are working well, preventing you from misremembering events. In a healthy person, such misremembering is going to happen every day. This is to be expected because your memory involves millions and billions of neurones. It’s very messy.”

While there isn’t a completely agreed upon explanation for what happens in the brain when déjà vu occurs, most models suggest that déjà vu occurs when areas of the brain (such as the temporal lobe) feed the mind’s frontal regions signals that a past experience is repeating itself. The frontal decision making parts of the brain then checks to see if the memory is actually true or possible, perhaps saying something to the effect “have I been here before?”

“If you have actually been in that place before, you may try harder to retrieve more memories. If not, a déjà vu realization can occur.”

It’s typically believed that we are more susceptible to déjà vu when the mind is a bit more fatigued and not as quick to discern that validity of our current moment.

Why It Matters:

What fascinated me about this in particular is two things: I’ve long felt that it’s quite possible that memories may actually be non local, i.e. they exist outside the brain not in the brain, and that perhaps the brain tunes into those memories that are somewhere around us. Or maybe we could say that some memory may exist in the brain, while others are part of some sort of collective field.

The second fascinating part for me is that I wonder if déjà vu has something to do with emerging science that tells us time is not linear. Perhaps when we take a classic scientific model that states all time is linear and all experience is linear, we limit our explanation of what déjà vu might be to something that fits that paradigm. What if the brain is tuning into something relating to quantum potentials that always exist, and that perhaps something different is happening with déjà vu? I’m not sure yet, however this is where déjà vu intrigues me the most.

Of course, the end result of exploring a question like this invites us to shift our worldview around the nature of reality, time and experience. Something that might be uncomfortable for some but I feel post material science is inviting us to do.

The Takeaway:

As with anything that is happening in our lives right now it seems, we are culturally in a time where a long avoided shift in our scientific paradigm is creating a lack of meaningful explanations for many things that happen in life. Is déjà vu one of those things that doesn’t have a good explanation in our current scientific paradigm? The jury might still be out on that, but for me, the current explanation presented in this piece did not quite ‘do it for me’ and my inquisitive mind and gut feeling pushes me to explore these questions through the emerging paradigm of non material science.

Duik dieper

Klik hieronder om een ​​voorproefje te zien van onze gloednieuwe cursus!

Onze nieuwe cursus heet 'Bias overwinnen en kritisch denken verbeteren'. Deze cursus van 5 weken wordt gegeven door Dr. Madhava Setty & Joe Martino

Als je je zelfbewustzijn wilt vergroten, je kritisch denken wilt verbeteren, meer hartgericht wilt worden en meer bewust wilt zijn van vooroordelen, dan is dit de perfecte cursus!

Discover


The science of smell

Us humans get a lot from our sense of smell. But other animals, such as dogs, rely on their noses so much more. Why might that be? And why did we evolve to have the noses we do? New research in Science Advances sheds some light on those questions and Darren Logan from the Waltham Centre for Pet Nutrition joined Katie Haylor in the studio to chat all about it.

Darren - Our sense of smell is essentially a chemical scent. So the volatiles that's coming off the freshly baked bread - into the atmosphere - is what we're sensing through our sense of smell. And every time you take a deep breath in, the volatiles will rush through your nose and hit these molecular receptors on the surface of your nose called olfactory receptors and they exist in olfactory sensory neurons.

In a human nose we have about 300 different types of these neurons and each one detects a different combination of small molecules and it's the combination and the pattern of those together that your brain interprets as the smell of - in this case freshly baked bread.

Katie - 300 doesn't sound like an awful lot so how do we end up with the incredible amount of smells that we're able to recognize?

Darren - So that is the sort of the real trick of your olfactory system. So it's due to something called combinatorial coding, so each receptor - each of the 300 receptors - can detect a combination of different molecules and each molecule can activate a combination of different receptors. So when you multiply those together we think that we can detect up to a trillion different orders.

Katie - Okay. So how did you analyse smell in this study? What were you interested in?

Darren - So we took advantage of a particular quirk of the olfactory system - which is that each sensory neuron in the nose expresses just one olfactory receptor. And so because we knew that, we were able to use something called RNA sequencing to quantify the RNA of each receptor and that allows us to tell us the number of each type of neuron the nose. You might expect that of the 300 neural types, they'd all be equally represented. And what we found out - that wasn't the case. There were a very small number, actually, about 10 or 15 are very very highly represented in the nose and the vast majority are relatively lowly represented.

Katie - So what does this mean then? What do we take away from this?

Darren - So we were really interested about what these receptors are - there are these neurons that are there in very high abundance. And so, what we did is, we looked at what those neurons are detecting and what we found in the case of humans is that they're detecting what we call key food orders. So these are the orders that are produced by our food. So - as you mentioned - the orders in freshly baked bread.

When we looked in other species - we looked in mice, rats, dogs and a number of primates - we found that wasn't the case. And likewise, when we looked in mice, we found that the neurons that were very abundant actually detect pheromones - so cues that the mice used to sexual communicate with each other. So what we think that means is that each mammal has evolved to to have a nose that is very specific to its niche.

Katie - Can we take from that that sourcing food is particularly important to us but there may be other equally pressing matters for other animals. How would you pick that apart?

Darren - Yeah that's our hypothesis. There was a theory that our senses of smells were essentially not under evolutionary pressure. They're just drifting around and they can detect anything that we happen to run into. What this research - we think - suggests that's not true, that actually our noses are tuned and over time have been tuned to the things that are important to us - to promote our reproduction and our survival. In the case of humans, our sense of smell is particularly important for detecting food and scavenging for food. And that's why we think our noses are tuned the way they are.

Katie - So more receptors equals better smelling ability. Is that pretty much right?

Darren - This is a bit of a mystery in the olfactory field. Species like dogs or mice or indeed elephants, who we think have the most receptors, may be able to smell more, but we actually think at the moment that it's likely that they don't smell more - they just discriminate better. So they can tell subtle differences between things that we as humans - who are not the best smellers in the world - probably couldn't.

Katie - Having said we're not the best smellers in the world, I've got to say, I’ve named myself the bloodhound of the Naked Scientist office because I feel like my sense of smell is really good. Why would that be? Why would I be better at smelling than say Izzie, for instance?

Darren - Well there are people who are better at smelling than others and it probably down to genetic variation. We know there is a lot of variation in the olfactory receptors, however, we also know that people who are often deemed or described as better smellers are often more verbal - so are able to describe the scent, the smells that they detect better and that appears that they’re therefore better but they're actually better explaining it.

Katie - I'm still going to take credit for that one. Very briefly. what's the next step then with this particular piece of work?

Darren - We are doing two things - I guess - one is that we are looking to spatially identify the position of the neurons in the nose, rather than just the abundance of them. And this is important because when you smell, the air rushes through the nose and depending on which parts of the nose it hits, we might think it works differently. And secondly, we are particularly interested in those abundant neurons and finding out exactly what they detect.


Building Blocks of the Nervous System

The building block of the nervous system is the neuron. (Fun fact: The human brain contains approximately 100 billion neurons. That’s more than 14x the number of human beings currently on planet Earth!)

The anatomy of a neuron may differ slightly based on its function but the structures that comprise it remain the same.

Another cell type central to the functioning of the nervous system (pun intended) is the glial cell. Glial cells

  1. Help support and hold neurons in place
  2. Protect neurons
  3. Create myelin which helps to move nerve impulses
  4. Repair neurons and help restore neuron function
  5. Trim out dead neurons
  6. Regulate neurotransmitters

Neuron Anatomy

The neuron is composed of the following parts (NICHD, 2018):

  • Kern
  • Cellichaam
  • Dendrite: responsible for receiving information via synapses for the cell to process and send through the axon, through the axon terminal, to the synapse to be passed on again
  • Axon: the “corridor” through which sensory information is passed to the dendrite to be sent to another neuron. (The term “nerve” doesn’t refer to a neuron, even though it seems like it should. What it actually refers to is a collection of multiple axons is a collection of axons that work together as a collective. In the same way that a grouping of asparagus stalks makes one bunch of asparagus, a bundle of axons makes one nerve. The different types of nerves are cervical, thoracic, lumbar and sacral nerves.)
  • Myelin sheath: a fatty tissue that insulates the axon by preventing depolarization. This allows electrical impulses to travel across the axon uninterrupted.
  • Node of Ranvier: these are the gaps in the myelin sheath. Their function is to speed up propagation of action potentials along the axon via saltatory conduction. (Because these gaps are not myelinated, the action potentials appear to jump between nodes like the water fountains at Disneyworld.) Saltatory conduction also helps to conserve energy by decreasing the required movement of ions by 100x.
  • Axon terminal: the end of the axon, the last stop before electrical impulses are sent through the synapse. This structure converts electrical impulses into chemical signals which, when released, are then called neurotransmitters. Neurotransmitters pass through the synapse to the next dendrite and are then converted back into an electrical impulse to repeat this process until it reaches the proper organ.

Soorten neuronen

There are four different types of neurons. Their anatomy is determined by what types of information they’ll need to propagate, to what organs, and in what region of the body.

In fact, there are so many different types of neurons in the brain alone that they are not yet all described. This is because neurons in the brain will differ based on what part of the target neuron they’re communicating to (dendrite vs. axon), express different genes, express varying electrical impulses, and several more distinctions.

The types of neurons are below:

neuronen in the spinal cord are sensory and motor neurons. Sensory neurons are activated by sensory input from the environment (touch, taste, smell, sound, sight). The input of information from the external environment can be physical or chemical and correspond to all five senses. Most sensory neurons are pseudounipolar.

Motor neurons in the spinal cord are a part of CNS and connect to muscles, glands, and organs throughout the body. They transmit impulses from the spinal cord to skeletal and smooth muscle tissues based on information gathered by the sensory neurons. These are typically multipolar.

The lower motor neurons extend from the spinal cord to the muscles and the upper motor neurons travel from the brain and spinal cord to the distal parts of the body.

Lastly, there are interneuronen. These serve as the connections between spinal, motor, and sensory neurons and communicate with each other by forming networks throughout the body, the structure of which differs based on need and organ system. These neurons are multipolar as well.


Whatever you think though, whether you think he has proved his case or not, nobody, surely, has yet proved the opposite position - that all physics including human behaviour, can be simulated in a computer.

I'm not sure why so many are so sure of that conclusion - that a computer program can simulate a human - when nobody has proved it or has any idea yet of how to prove it.

And - it seems at least to be a reasonable philosophical position for anyone to take, that the human mind is essentially non computable.

Myself anyway - I now expect that some time or another down the road, we will hit some truly non computable physics. Though whether in the form of Roger Penrose's Orch Or theory or some other idea - maybe not involving quantum mechanics at all - or even quantum gravity - I don't know.

It's interesting as an area of philosophy which leads to an actual prediction about the future of science. A clear prediction that computer programs will never fully emulate human beings, so long as they are based on physics as currently understood, or computer programs as we currently understand those.

And then based on Roger Penrose's ideas - I think it is reasonable also to say that it predicts non computable areas of physics.

Is there any other area of pure philosophy that leads to a future science prediction?

And that then leads to the idea that if we ever do have Artificial Intelligence then it is likely to be impossible to program, in some intrinsic way because at its core, it is in some way doing something essentially non computable. And, I think myself, that means that it would start off like a young thing or baby - or may be an "uplifted species" or similar.

I'm Robert Walker, inventor & programmer. I have had a long term special interest in astronomy, and space science since the 1970s, and most of.


Bekijk de video: Philippe Geubels - neuronen (December 2021).