Nowe badania sugerują, że komórki umieszczone w najbardziej zewnętrznych warstwach ludzkiego mózgu generują specjalny rodzaj sygnału elektrycznego, który może zapewnić im dodatkowy wzrost mocy obliczeniowej. Co więcej, według autorów badania sygnał ten może być unikalny dla ludzi - i może wyjaśniać naszą wyjątkową inteligencję.
Komórki mózgowe lub neurony łączą się poprzez długie rozgałęzione przewody i przesyłają wiadomości wzdłuż tych kabli, aby się ze sobą komunikować. Każdy neuron ma zarówno wychodzący drut, zwany aksonem, jak i drut, który odbiera przychodzące wiadomości, znany jako dendryt. Dendryt przekazuje informacje pozostałej części neuronu poprzez impulsy aktywności elektrycznej. W zależności od okablowania mózgu każdy dendryt może odbierać setki tysięcy sygnałów z innych neuronów na całej swojej długości. Podczas gdy naukowcy uważają, że te elektryczne impulsy pomagają połączyć mózg i mogą leżeć u podstaw zdolności takich jak uczenie się i pamięć, dokładna rola dendrytów w ludzkim poznaniu pozostaje tajemnicą.
Teraz naukowcy odkryli nowy smak skoku elektrycznego w ludzkich dendrytach - taki, który według nich może pozwolić komórkom na wykonywanie obliczeń, które kiedyś uważano za zbyt skomplikowane, by pojedynczy neuron mógł sobie z nimi poradzić. Badanie, opublikowane 3 stycznia w czasopiśmie Science, zauważa, że nowo odkrytej właściwości elektrycznej nigdy nie zaobserwowano w żadnej tkance zwierzęcej innej niż człowiek, co nasuwa pytanie, czy sygnał w wyjątkowy sposób przyczynia się do inteligencji ludzkiej, czy naczelnej, naszej ewolucyjni kuzyni.
Dziwny sygnał
Do tej pory większość badań dendrytów przeprowadzano w tkance gryzoni, która ma podstawowe właściwości z ludzkimi komórkami mózgu, powiedział współautor badań Matthew Larkum, profesor na wydziale biologii Uniwersytetu Humboldta w Berlinie. Powiedział jednak, że ludzkie neurony mierzą około dwa razy dłużej niż te znalezione u myszy.
„Oznacza to, że sygnały elektryczne muszą podróżować dwa razy dalej”, powiedział Larkum dla Live Science. „Gdyby nie doszło do zmiany właściwości elektrycznych, oznaczałoby to, że u ludzi te same wejścia synaptyczne byłyby nieco słabsze”. Innymi słowy, impulsy elektryczne otrzymane przez dendryt uległy znacznemu osłabieniu, zanim dotrą do ciała komórki neuronu.
Więc Larkum i jego koledzy postanowili odkryć właściwości elektryczne ludzkich neuronów, aby zobaczyć, jak te dłuższe dendryty faktycznie potrafią skutecznie wysyłać sygnały.
To nie było łatwe zadanie.
Po pierwsze, badacze musieli zdobyć próbki ludzkiej tkanki mózgowej, co jest niezwykle rzadkim zasobem. Zespół ostatecznie wykorzystał neurony wycięte z mózgów pacjentów z padaczką i nowotworami w ramach leczenia. Zespół skupił się na neuronach wyciętych z kory mózgowej, pomarszczonej zewnętrznej części mózgu, która zawiera kilka wyraźnych warstw. U ludzi warstwy te utrzymują gęste sieci dendrytów i stają się niezwykle grube, co może być „fundamentalne dla tego, co czyni nas ludźmi”, zgodnie z oświadczeniem Science.
„Bardzo rzadko dostajesz tkankę, więc po prostu musisz pracować z tym, co jest przed tobą,” powiedział Larkum. I musisz pracować szybko, dodał. Poza ludzkim ciałem pozbawione tlenu komórki mózgowe pozostają żywe tylko przez około dwa dni. Aby w pełni wykorzystać to ograniczone okno czasowe, Larkum i jego zespół zbierali pomiary z danej próbki tak długo, jak to było możliwe, czasami pracując przez 24 godziny bez przerwy.
Podczas tych eksperymentalnych maratonów zespół pociął tkankę mózgową na plasterki i wybił dziury w dendrytach w niej zawartych. Wsuwając cienkie szklane pipety przez te otwory, naukowcy mogli wstrzykiwać jony lub naładowane cząstki do dendrytów i obserwować, jak zmieniły się one w aktywności elektrycznej. Zgodnie z oczekiwaniami, stymulowane dendryty generowały skoki aktywności elektrycznej, ale sygnały te wyglądały zupełnie inaczej niż wcześniej.
Każdy impuls zapalał się tylko na krótki czas - około milisekundy. W tkance gryzoni ten typ supershortu występuje, gdy zalew sodu wchodzi do dendrytu, wywołanego przez szczególne nagromadzenie aktywności elektrycznej. Wapń może również wywoływać skoki w dendrytach gryzoni, ale sygnały te trwają od 50 do 100 razy dłużej niż skoki sodu, powiedział Larkum. To, co zespół widział w ludzkich tkankach, wydawało się dziwną hybrydą tych dwóch.
„Chociaż wyglądało to jak zdarzenie sodowe, tak naprawdę było zdarzeniem wapniowym”, powiedział Larkum. Członkowie zespołu przetestowali, co by się stało, gdyby nie dopuścili do przedostania się sodu do dendrytów próbki i stwierdzili, że kolce nadal strzelały bezbłędnie. Co więcej, kolce supersortowe wystrzeliły w krótkich odstępach czasu, jeden po drugim. Ale kiedy naukowcy zablokowali dostęp wapnia do neuronów, kolce zatrzymały się. Naukowcy doszli do wniosku, że natknęli się na zupełnie nową klasę kolców, podobną w czasie do sodu, ale kontrolowaną przez wapń.
„Wyglądają inaczej niż cokolwiek, co do tej pory znaliśmy u innych ssaków” - powiedział Mayank Mehta, profesor na wydziałach neurologii, fizyki neurobiologii i astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, który nie był zaangażowany w badania. Powiedział, że głównym pytaniem jest, w jaki sposób te kolce odnoszą się do faktycznej funkcji mózgu.
Potęgi obliczeniowe
Larkum i jego koledzy nie mogli przetestować, jak ich pokrojone próbki mogłyby zachowywać się w nienaruszonym ludzkim mózgu, więc opracowali model komputerowy na podstawie swoich wyników. W mózgu dendryty odbierają sygnały wzdłuż swojej długości od pobliskich neuronów, które mogą albo popchnąć je, aby wygenerować skok, albo uniemożliwić im to. Podobnie zespół zaprojektował cyfrowe dendryty, które można stymulować lub hamować z tysięcy różnych punktów wzdłuż ich długości. Historycznie, badania sugerują, że dendryty z czasem sumują te przeciwstawne sygnały i wystrzeliwują skok, gdy liczba sygnałów pobudzających przewyższa liczbę sygnałów hamujących.
Ale cyfrowe dendryty wcale tak się nie zachowywały.
„Gdy przyjrzeliśmy się uważnie, zauważyliśmy, że było to dziwne zjawisko” - powiedział Larkum. Im więcej sygnałów pobudzających otrzymywał dendryt, tym mniejsze prawdopodobieństwo wygenerowania skoku. Zamiast tego każdy region w danym dendrycie wydawał się „dostrojony”, by reagować na określony poziom stymulacji - nie więcej, nie mniej.
Ale co to oznacza w kontekście rzeczywistej funkcji mózgu? Oznacza to, że dendryty mogą przetwarzać informacje w każdym punkcie wzdłuż ich długości, pracując jako ujednolicona sieć, która decyduje, które informacje wysłać, które odrzucić, a które samodzielnie, jak mówi Larkum.
„Nie wygląda na to, że komórka po prostu dodaje rzeczy - to także wyrzuca rzeczy” - powiedziała Mehta Live Live. (W tym przypadku sygnały „wyrzucenia” byłyby sygnałami pobudzającymi, które nie są odpowiednio dostrojone do „słabego punktu” regionu dendrytycznego.) Ta supermoce obliczeniowe może umożliwić dendrytom przejmowanie funkcji, które kiedyś uważano za pracę całych sieci neuronowych ; na przykład Mehta zakłada, że poszczególne dendryty mogą nawet kodować wspomnienia.
Kiedyś neuronaukowcy sądzili, że całe sieci neuronów współpracują, aby wykonać te złożone obliczenia, i zdecydowali, jak reagować jako grupa. Wygląda na to, że pojedynczy dendryt wykonuje dokładnie ten rodzaj obliczeń samodzielnie.
Możliwe, że tylko ludzki mózg posiada tę imponującą moc obliczeniową, ale Larkum powiedział, że jest za wcześnie, aby powiedzieć na pewno. On i jego koledzy chcą szukać tego tajemniczego skoku wapnia u gryzoni, na wypadek, gdyby został przeoczony w poprzednich badaniach. Ma również nadzieję na współpracę przy podobnych badaniach na naczelnych, aby sprawdzić, czy właściwości elektryczne ludzkich dendrytów są podobne do właściwości naszych ewolucyjnych krewnych.
Mehta powiedział, że jest bardzo mało prawdopodobne, aby kolce te uczyniły ludzi wyjątkowymi lub bardziej inteligentnymi niż inne ssaki. Dodał, że może być tak, że nowo odkryta właściwość elektryczna jest unikalna dla neuronów L2 / 3 w ludzkiej korze mózgowej, ponieważ mózg gryzoni wytwarza również specyficzne skoki w określonych obszarach mózgu.
W poprzednich badaniach Mehta odkrył, że dendryty gryzoni generują również wiele różnych kolców, których dokładna funkcja pozostaje nieznana. Co ciekawe, tylko ułamek tych skoków wywołuje reakcję w ciele komórki, do której się podłączają, powiedział. W neuronach gryzoni około 90 procent skoków dendrytycznych nie wywołuje sygnałów elektrycznych z ciała komórki, co sugeruje, że dendryty zarówno u gryzoni, jak i ludzi mogą przetwarzać informacje niezależnie w sposób, którego jeszcze nie rozumiemy.
Duża część naszego zrozumienia uczenia się i pamięci wynika z badań aktywności elektrycznej generowanej w ciele komórki neuronowej i jej kablu wyjściowym, aksonie. Ale te odkrycia sugerują, że „być może większość skoków w mózgu może mieć miejsce w dendrytach”, powiedział Mehta. „Te kolce mogą zmienić zasady uczenia się”.
Nota redaktora: Ta historia została zaktualizowana 9 stycznia, aby wyjaśnić oświadczenie dr Mayank Mehta o tym, czy nowo znaleziony sygnał elektryczny może być unikalny dla ludzi.
