الخصائص الكهربائية من التشعبات تساعد على تفسير القدرة الحاسوبية الفريدة الدماغ كما الخلايا العصبية في أدمغة الإنسان والفئران تحمل إشارات كهربائية بطرق مختلفة, يجد العلماء.

الخلايا العصبية في الدماغ البشري تتلقى إشارات كهربائية من آلاف الخلايا الأخرى, ودعا التشعبات العصبية ملحقات طويلة تلعب دورا حاسما في دمج كل تلك المعلومات حتى الخلايا يمكن أن تستجيب بشكل مناسب.

باستخدام يصعب الحصول على عينات من أنسجة الدماغ البشري, وقد اكتشف علماء الأعصاب MIT الآن أن التشعبات الإنسان لها خصائص كهربائية مختلفة عن تلك الأنواع الأخرى. تكشف دراستهم أن الإشارات الكهربائية تضعف أكثر لأنها تتدفق على طول التشعبات الإنسان, مما أدى إلى درجة أعلى من التقسيم الكهربائية, وهذا يعني أن أجزاء صغيرة من التشعبات يمكن أن تتصرف بشكل مستقل عن بقية الخلايا العصبية.

قد تساهم هذه الاختلافات إلى تعزيز القدرة الحاسوبية في الدماغ البشري, ويقول الباحثون.

"انها ليست مجرد أن البشر أذكياء لأن لدينا المزيد من الخلايا العصبية و لحاء أكبر. من القاع فصاعدا, الخلايا العصبية تتصرف بشكل مختلف,"يقول مارك هارنيت, أستاذ مساعد فريد وكارول ميدلتون التطوير المهني للعلوم الدماغ والمعرفي. "في الخلايا العصبية البشرية, هناك المزيد من التقسيم الكهربائية, وتسمح هذه الوحدات لتكون أكثر قليلا مستقلة, مما قد يؤدي إلى زيادة قدرات الحسابية للخلايا العصبية واحدة ".

هارنيت, وهو أيضا عضو في معهد MIT ماكغفرن لأبحاث الدماغ, وسيدني النقدية, وهو أستاذ مساعد في علم الأعصاب في كلية الطب بجامعة هارفارد ومستشفى ماساتشوستس العام, هي الكتاب العليا للدراسة, الذي يظهر في أكتوبر. 18 قضية زنزانة. المؤلف الرئيسي للصحيفة هو لو بولو لاروش, طالب دراسات عليا في إدارة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من المخ والعلوم المعرفية.

حساب العصبي

التشعبات يمكن اعتبار مماثلة لالترانزستورات في كمبيوتر, تنفيذ عمليات بسيطة باستخدام الإشارات الكهربائية. تتلقى التشعبات مدخلات من العديد من الخلايا العصبية الأخرى، وتحمل تلك الإشارات إلى خلايا الجسم. إذا حفزت بما فيه الكفاية, الخلايا العصبية حرائق إمكانات العمل - دفعة الكهربائية التي ثم يحفز الخلايا العصبية الأخرى. شبكات واسعة من هذه الخلايا العصبية تتواصل مع بعضها البعض لتوليد الأفكار والسلوك.

بنية الخلايا العصبية واحدة غالبا ما يشبه شجرة, مع العديد من الفروع في جلب المعلومات التي تصل بعيدا عن جسم الخلية. وقد وجدت الأبحاث السابقة أن قوة الإشارات الكهربائية التي تصل إلى خلايا الجسم تعتمد, في جزء, على مدى يسافرون على طول التغصنات للوصول إلى هناك. كما تنتشر الإشارات, فإنها تصبح أضعف, ذلك إشارة إلى أن يصل بعيدا عن جسم الخلية لديها أقل من تأثير من أحد أن يصل بالقرب من جسم الخلية.

التشعبات في قشرة الدماغ البشري أطول بكثير من تلك الموجودة في الفئران ومعظم الأنواع الأخرى, وذلك لأن القشرة الإنسان تطورت لتكون أكثر سمكا بكثير من الأنواع الأخرى. في البشر, القشرة تشكل حوالي 75 في المئة من إجمالي حجم المخ, مقارنة بنحو 30 في المئة في الدماغ الفئران.

على الرغم من أن القشرة البشرية مرتين إلى ثلاث مرات أكثر سمكا من أن الفئران, فإنه يحافظ على التنظيم العام نفسه, تتكون من ست طبقات مميزة من الخلايا العصبية. الخلايا العصبية من طبقة 5 يكون التشعبات طويلة بما فيه الكفاية للوصول إلى كل وسيلة لطبقة 1, وهذا يعني أن التشعبات الإنسان اضطروا إلى استطال كما تطورت الدماغ البشري, وإشارات كهربائية لها بالسفر الذي أبعد من ذلك بكثير.

في دراسة جديدة, أراد فريق MIT للتحقق من مدى هذه الاختلافات طول قد يؤثر على الخواص الكهربائية التشعبات ". وكانوا قادرين على مقارنة النشاط الكهربائي في الفئران والإنسان التشعبات, باستخدام قطع صغيرة من أنسجة المخ إزالتها من مرضى الصرع تمر الاستئصال الجراحي لجزء من الفص الصدغي. من أجل الوصول إلى الجزء المصاب من الدماغ, يكون الجراحين أيضا أن تحصل على قطعة صغيرة من الفص الصدغي الأمامي.

مع مساعدة من MGH المتعاونين النقدية, ماثيو فروش, زيف ويليامز, وعماد اسكندر, وكان مختبر هارنيت قادرين على الحصول على عينات من الفص الصدغي الأمامي, كل عن حجم ظفر.

تشير الدلائل إلى أن الفص الصدغي الأمامي لا يتأثر الصرع, والأنسجة يظهر العادية عندما بحثت مع تقنيات عصبية مرضية, يقول هارنيت. ويبدو أن هذا الجزء من الدماغ أن تشارك في مجموعة متنوعة من الوظائف, بما في ذلك اللغة والمعالجة البصرية, ولكنها ليست حاسمة إلى أي وظيفة واحدة; المرضى قادرين على العمل بشكل طبيعي بعد إزالته.

وبمجرد إزالة الأنسجة, وضع الباحثون في حل تشبه الى حد بعيد السائل النخاعي, مع الأكسجين يتدفق عبره. وهذا ما سمح لهم للحفاظ على النسيج على قيد الحياة لمدة تصل إلى 48 ساعات. خلال ذلك الوقت, أنها تستخدم تقنية تعرف باسم الكهربية التصحيح، المشبك لقياس مدى الإشارات الكهربائية السفر على طول التشعبات من الخلايا العصبية الهرمية, والتي هي النوع الاكثر شيوعا من الخلايا العصبية في القشرة مثير.

وقد أجريت هذه التجارب في المقام الأول بولو لاروش. مختبر هارنيت ل (و اخرين) فعلت سابقا هذا النوع من التجربة في التشعبات القوارض, ولكن فريقه هو الأول لتحليل الخصائص الكهربائية من التشعبات الإنسان.

خصائص فريدة

ووجد الباحثون أنه بسبب التشعبات الإنسان تغطي مسافات أطول, إشارة المتدفقة على طول التغصنات الإنسان من طبقة 1 إلى خلايا الجسم في طبقة 5 هو أضعف بكثير عند وصولها من إشارة المتدفقة على طول التغصنات الفئران من طبقة 1 لطبقة 5.

كما اظهرت ان التشعبات الإنسان والفئران لديها نفس العدد من القنوات الأيونية, التي تنظم تدفق التيار, ولكن هذه القنوات تحدث في مناطق ذات كثافة أقل في التشعبات الإنسان نتيجة لاستطالة تغصناته. كما أنها وضعت نموذجا الفيزيائية الحيوية مفصلة تبين أن هذا التغيير كثافة يمكن أن تفسر بعض الاختلافات في النشاط الكهربائي ينظر بين التشعبات الإنسان والفئران, يقول هارنيت.

نيلسون Spruston, كبير مديري البرامج العلمية في الحرم الجامعي هوارد هيوز الطبي معهد بحوث Janelia, وصف تحليل الباحثين من التشعبات الإنسان بأنه "إنجاز رائع".

"هذه هي الأكثر تفصيلا بعناية القياسات حتى الآن من الخصائص الفسيولوجية للخلايا العصبية الإنسان,"يقول Spruston, الذي لم يشارك في البحث. "هذا النوع من التجارب هي جدا تطلبا من الناحية الفنية, حتى في الفئران والجرذان, لذلك من منظور تقني, إنه لأمر مدهش جدا أن فعلوه هذا في البشر ".

ويبقى السؤال, كيف يمكن لهذه الاختلافات تؤثر على القدرات العقلية البشرية? فرضية هارنيت هي أنه بسبب هذه الاختلافات, والتي تسمح المزيد من المناطق من التغصنات للتأثير على قوة إشارة واردة, يمكن أن الخلايا العصبية الفردية أداء العمليات الحسابية أكثر تعقيدا على المعلومات.

"إذا كان لديك عمود القشرية التي تحتوي على قطعة من قشرة الإنسان أو القوارض, وأنت تسير لتكون قادرة على تحقيق المزيد من العمليات الحسابية أسرع مع بنية الإنسان مقابل العمارة القوارض," هو يقول.

هناك العديد من الاختلافات الأخرى بين الخلايا العصبية البشرية وتلك من الأنواع الأخرى, ويضيف هارنيت, مما يجعل من الصعب استخلاص آثار الخصائص الكهربائية شجيري. في الدراسات المستقبلية, وقال انه يأمل في مواصلة استكشاف التأثير الدقيق لهذه الخصائص الكهربائية, وكيف تتفاعل مع ميزات فريدة أخرى من الخلايا العصبية البشرية لانتاج المزيد من قوة الحوسبة.

وقد تم تمويل هذا البحث من قبل مجلس العلوم الوطني وبحوث الهندسة كندا, برنامج مؤسسة دانا ديفيد ماهوني تصوير الأعصاب غرانت, والمعاهد الوطنية للصحة.

مصدر:

HTTP://news.mit.edu, قبل آن ترافتون