Nové výskumy naznačujú, že bunky umiestnené v najvzdialenejších vrstvách ľudského mozgu generujú špeciálny druh elektrického signálu, ktorý by im mohol poskytnúť ďalšie zvýšenie výpočtovej sily. Navyše, tento signál môže byť pre človeka jedinečný - a podľa autorov štúdie môže vysvetliť našu jedinečnú inteligenciu.
Mozgové bunky alebo neuróny sa spájajú cez dlhé, vetvené drôty a kyvadlové správy pozdĺž týchto káblov, aby spolu komunikovali. Každý neurón má odchádzajúci drôt, nazývaný aj axón, a drôt, ktorý prijíma prichádzajúce správy, známy ako dendrit. Dendrit odovzdáva informácie zvyšku neurónu prostredníctvom výbuchu elektrickej aktivity. V závislosti od toho, ako je mozog zapojený, môže každý dendrit prijímať stovky tisíc signálov od iných neurónov v celej svojej dĺžke. Zatiaľ čo vedci veria, že tieto elektrické hroty pomáhajú drôtiť mozog a môžu byť základom schopností, ako je učenie a pamäť, presná úloha dendritov v ľudskom poznaní zostáva záhadou.
Vedci teraz objavili novú príchuť elektrického výboja v ľudských dendritoch - takú, o ktorej si myslia, že by mohla umožniť, aby bunky vykonávali výpočty, keď budú považované za príliš zložité na to, aby sa jeden neurón mohol vyrovnať sám so sebou. Štúdia, publikovaná 3. januára v časopise Science, uvádza, že novoobjavené elektrické vlastníctvo nebolo nikdy pozorované v žiadnom živočíšnom tkanive okrem človeka, čo vyvoláva otázku, či signál jedinečne prispieva k ľudskej inteligencii alebo k primátom, nášmu vývojové bratranci.
Podivný signál
Doposiaľ sa väčšina dendritických štúdií uskutočňovala na hlodavčím tkanive, ktoré má základné vlastnosti s ľudskými mozgovými bunkami, uviedla spoluautorka štúdie Matthew Larkum, profesor na katedre biológie na Humboldtovej univerzite v Berlíne. Ľudské neuróny však merajú približne dvakrát tak dlho, ako sa nachádzajú v myši.
„To znamená, že elektrické signály musia cestovať dvakrát tak ďaleko,“ povedal Larkum Live Science. „Keby nedošlo k žiadnym zmenám v elektrických vlastnostiach, znamenalo by to, že u ľudí by tie isté synaptické vstupy boli o niečo menej výkonné.“ “ Inými slovami, elektrické hroty prijaté dendritom by sa významne oslabili v čase, keď sa dostanú k bunkovému telu neurónu.
Takže Larkum a jeho kolegovia sa rozhodli odhaliť elektrické vlastnosti ľudských neurónov, aby zistili, ako sa týmto dlhým dendritom skutočne podarí efektívne vysielať signály.
Nebola to ľahká úloha.
Vedci museli najprv položiť ruky na vzorky ľudského mozgového tkaniva, notoricky známe zdroje. Tím skončil pomocou neurónov, ktoré boli nakrájané na plátky z mozgu pacientov s epilepsiou a nádorom, ako súčasť ich lekárskeho ošetrenia. Tím sa sústredil na neuróny resekované z mozgovej kôry, zvrásneného vonkajšieho povrchu mozgu, ktorý obsahuje niekoľko rôznych vrstiev. U ľudí tieto vrstvy držia husté siete dendritov a rastú tak, že sú extrémne silné, čo je vlastnosť, ktorá môže byť „základná pre to, čo z nás robí človeka“.
„Tkanivo dostanete veľmi zriedka, takže musíte pracovať iba s tým, čo je pred vami,“ povedal Larkum. A musíte pracovať rýchlo, dodal. Mimo ľudského tela zostávajú mozgové bunky s nedostatkom kyslíka životaschopné iba asi dva dni. Aby plne využil toto obmedzené časové okno, Larkum a jeho tím zhromaždili merania z danej vzorky tak dlho, ako mohli, niekedy pracovať 24 hodín rovno.
Počas týchto experimentálnych maratónov tím nasekal mozgové tkanivo na plátky a vystrelil diery do dendritov nachádzajúcich sa vo vnútri. Priložením tenkých sklenených pipiet cez tieto otvory mohli vedci vstreknúť ióny alebo nabité častice do dendritov a pozorovať, ako sa zmenili v elektrickej aktivite. Ako sa dalo očakávať, stimulované dendrity generovali hroty elektrickej aktivity, ale tieto signály vyzerali veľmi odlišne od tých, ktoré sa predtým pozorovali.
Každý bodec sa zapálil iba na krátku dobu - asi milisekundu. V hlodavčom tkanive sa tento druh suportortnej špičky vyskytuje, keď záplava sodíka vstúpi do dendritu, ktorá je vyvolaná zvláštnym hromadením elektrickej aktivity. Vápnik môže tiež vyvolať hroty u dendritov hlodavcov, ale tieto signály majú tendenciu trvať 50 až 100-krát dlhšie ako hroty sodíka, uviedol Larkum. To, čo tím videl v ľudskom tkanive, sa však zdalo byť divné kríženie týchto dvoch.
„Aj keď to vyzeralo ako sodíková udalosť, v skutočnosti to bola vápniková udalosť,“ povedal Larkum. Členovia tímu testovali, čo by sa stalo, keby zabránili sodíku vniknúť do ich vzorkových dendritov a zistili, že hroty naďalej strieľali nezmenšene. A čo viac, hroty supershort sa vystrelili rýchlo za sebou, jeden za druhým. Ale keď vedci zabránili vstupu vápnika do neurónov, hroty sa krátko zastavili. Vedci dospeli k záveru, že narazili na úplne novú triedu hrotov, z ktorých jedna sa podobala trvaniu sodíka, ale bola kontrolovaná vápnikom.
„Vyzerajú inak ako čokoľvek, čo sme doteraz vedeli od iných cicavcov,“ povedal Mayank Mehta, profesor oddelenia neurológie, neurobiologickej fyziky a astronómie na Kalifornskej univerzite v Los Angeles, ktorý sa štúdie nezúčastnil. Veľkou otázkou je, ako tieto hroty súvisia so skutočnou funkciou mozgu, povedal.
Výpočtové elektrárne
Larkum a jeho kolegovia nemohli otestovať, ako sa ich krájané vzorky môžu správať v neporušenom ľudskom mozgu, a tak na základe svojich výsledkov navrhli počítačový model. V mozgu dendriti prijímajú signály po celej svojej dĺžke od blízkych neurónov, ktoré ich môžu buď donútiť, aby vytvorili bodec, alebo im to zabránia. Podobne tím navrhol digitálne dendrity, ktoré je možné stimulovať alebo inhibovať z tisícov rôznych bodov po ich dĺžke. Historicky štúdie naznačujú, že dendrity časom zosumarizujú tieto protichodné signály a vystrelia bodec, keď počet excitačných signálov prevyšuje inhibičné signály.
Digitálne dendrity sa však vôbec nechovali.
„Keď sme sa pozorne pozreli, videli sme, že došlo k tomuto zvláštnemu fenoménu,“ povedal Larkum. Čím viac excitačných signálov bol dendrit prijatý, tým menšia je pravdepodobnosť vytvorenia hrotu. Namiesto toho sa zdá, že každá oblasť v danom dendrite „ladená“ reaguje na konkrétnu úroveň stimulácie - nič viac, nič menej.
Čo to však znamená, pokiaľ ide o skutočnú funkciu mozgu? Znamená to, že dendriti môžu spracovávať informácie v každom bode po ich dĺžke a pôsobiť ako jednotná sieť pri rozhodovaní, ktoré informácie sa majú poslať, ktoré sa majú zbaviť a ktoré sa majú spracovať samostatne, uviedol Larkum.
"Nevyzerá to, že by bunka len pridávala veci - vyhodí to aj veci," povedal Mehta pre Live Science. (V tomto prípade by signály „zahodenia“ boli excitačnými signálmi, ktoré nie sú správne naladené na „sladké miesto“ dendritického regiónu.) Táto výpočtová superveľmoc by mohla umožniť dendritom prevziať funkcie, keď sa bude považovať za prácu celých neurónových sietí. ; napríklad, Mehta teoretizuje, že jednotlivé dendrity môžu dokonca kódovať spomienky.
Neurológovia kedysi mysleli, že celé siete neurónov pracovali spoločne na vykonaní týchto zložitých výpočtov a rozhodli sa, ako na ne reagovať ako skupina. Teraz sa zdá, že individuálny dendrit robí tento presný typ výpočtu úplne sám.
Je možné, že túto pôsobivú výpočtovú silu vlastní iba ľudský mozog, ale Larkum povedal, že je príliš skoro na to povedať. Spolu so svojimi kolegami chcú hľadať tento záhadný vápnikový bod u hlodavcov v prípade, že sa to v minulom výskume prehliadlo. Dúfa tiež, že bude spolupracovať na podobných štúdiách na primátoch, aby zistil, či sú elektrické vlastnosti ľudských dendritov podobné tým, ktoré majú naši evoluční príbuzní.
Je veľmi nepravdepodobné, že tieto hroty robia ľudí špeciálnymi alebo inteligentnejšími ako iné cicavce, uviedol Mehta. Je možné, že novo nájdená elektrická vlastnosť je jedinečná pre L2 / 3 neuróny v ľudskej mozgovej kôre, pretože mozog hlodavcov tiež produkuje špecifické hroty v konkrétnych oblastiach mozgu, dodal.
V minulom výskume Mehta zistil, že hlodavce dendritov tiež vytvárajú širokú škálu hrotov, ktorých presná funkcia zostáva neznáma. Zaujímavé je, že iba zlomok týchto hrotov v skutočnosti vyvoláva reakciu v tele bunky, ku ktorej sa pripájajú, povedal. V neurónoch hlodavcov približne 90 percent dendritických hrotov nevyvoláva elektrické signály z tela bunky, čo naznačuje, že dendrity u hlodavcov aj u ľudí môžu spracovávať informácie nezávisle, spôsobmi, ktorým ešte nerozumieme.
Väčšina nášho chápania učenia a pamäte pramení z výskumu elektrickej aktivity generovanej v tele neurónovej bunky a jej výstupného kábla, axónu. Tieto zistenia však naznačujú, že „je možné, že väčšina hrotov v mozgu sa môže vyskytnúť v dendritoch,“ uviedol Mehta. „Tieto hroty môžu zmeniť pravidlá učenia sa.“
Poznámka editora: Tento príbeh bol aktualizovaný 9. januára, aby objasnil vyhlásenie Dr. Mayanka Mehtu o tom, či novo nájdený elektrický signál môže byť pre človeka jedinečný.
