Neuronen im menschlichen Gehirn empfangen elektrische Signale von Tausenden anderer Zellen, und lange neuronale Erweiterungen, die Dendriten genannt werden, spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufnahme all dieser Informationen, damit die Zellen angemessen reagieren können.

Verwendung schwer erhältlicher Proben von menschlichem Hirngewebe, MIT-Neurowissenschaftler haben nun entdeckt, dass menschliche Dendriten andere elektrische Eigenschaften haben als andere Spezies. Ihre Studien zeigen, dass elektrische Signale stärker abgeschwächt werden, wenn sie entlang menschlicher Dendriten fließen, was zu einem höheren Grad an elektrischer Kompartimentierung führt, Das bedeutet, dass sich kleine Abschnitte von Dendriten unabhängig vom Rest des Neurons verhalten können.

Diese Unterschiede können zur verbesserten Rechenleistung des menschlichen Gehirns beitragen, sagen die Forscher.

„Menschen sind nicht nur schlau, weil wir mehr Neuronen und einen größeren Kortex haben“. Von unten nach oben, Neuronen verhalten sich anders,“ sagt Mark Harnett, der Fred und Carole Middleton Career Development Assistant Professor für Hirn- und Kognitionswissenschaften. „In menschlichen Neuronen, es gibt mehr elektrische Abschottung, und das ermöglicht es diesen Einheiten, ein bisschen unabhängiger zu sein, Dies führt möglicherweise zu erhöhten Rechenkapazitäten einzelner Neuronen.“

Harnett, der auch Mitglied des McGovern Institute for Brain Research des MIT ist, und Sydney Cash, Assistenzprofessorin für Neurologie an der Harvard Medical School und dem Massachusetts General Hospital, sind die leitenden Autoren der Studie, die erscheint im Oktober. 18 Problem von Zelle. Der Hauptautor des Papiers ist Lou Beaulieu-Laroche, ein Doktorand am Department of Brain and Cognitive Sciences des MIT.

Neuronale Berechnung

Dendriten kann man sich als Analogie zu Transistoren in einem Computer vorstellen, Durchführen einfacher Operationen mit elektrischen Signalen. Dendriten erhalten Input von vielen anderen Neuronen und übertragen diese Signale an den Zellkörper. Wenn genug stimuliert, ein Neuron feuert ein Aktionspotential ab – einen elektrischen Impuls, der dann andere Neuronen stimuliert. Große Netzwerke dieser Neuronen kommunizieren miteinander, um Gedanken und Verhalten zu erzeugen.

Die Struktur eines einzelnen Neurons ähnelt oft einem Baum, mit vielen Zweigen, die Informationen einbringen, die weit vom Zellkörper entfernt sind. Frühere Forschungen haben ergeben, dass die Stärke der am Zellkörper ankommenden elektrischen Signale davon abhängt, teils, wie weit sie entlang des Dendriten reisen, um dorthin zu gelangen. Während sich die Signale ausbreiten, sie werden schwächer, ein Signal, das weit vom Zellkörper entfernt ankommt, hat also eine geringere Auswirkung als eines, das in der Nähe des Zellkörpers ankommt.

Dendriten in der Rinde des menschlichen Gehirns sind viel länger als die bei Ratten und den meisten anderen Arten, weil sich der menschliche Kortex so entwickelt hat, dass er viel dicker ist als der anderer Spezies. In Menschen, der Kortex macht ungefähr 75 Prozent des gesamten Gehirnvolumens, im Vergleich zu etwa 30 Prozent im Rattenhirn.

Obwohl der menschliche Kortex zwei- bis dreimal dicker ist als der von Ratten, es behält die gleiche Gesamtorganisation bei, bestehend aus sechs unterschiedlichen Schichten von Neuronen. Neuronen aus Schicht 5 Dendriten haben, die lang genug sind, um bis zur Schicht zu reichen 1, Das bedeutet, dass sich menschliche Dendriten mit der Entwicklung des menschlichen Gehirns verlängern mussten, und elektrische Signale müssen so viel weiter gehen.

In der neuen Studie, Das MIT-Team wollte untersuchen, wie sich diese Längenunterschiede auf die elektrischen Eigenschaften von Dendriten auswirken könnten. Sie konnten die elektrische Aktivität von Ratten- und menschlichen Dendriten vergleichen, Verwendung kleiner Stücke von Hirngewebe, die Epilepsiepatienten entnommen wurden, die sich einer chirurgischen Entfernung eines Teils des Schläfenlappens unterziehen. Um den erkrankten Teil des Gehirns zu erreichen, Chirurgen müssen auch einen kleinen Teil des vorderen Temporallappens entfernen.

Mit Hilfe von MGH-Mitarbeitern Cash, Matthew Frosch, Ziv Williams, und Emad Eskandar, Harnetts Labor konnte Proben des vorderen Temporallappens entnehmen, jeder etwa so groß wie ein Fingernagel.

Es gibt Hinweise darauf, dass der vordere Temporallappen nicht von Epilepsie betroffen ist, und das Gewebe erscheint normal, wenn es mit neuropathologischen Techniken untersucht wird, Harnett sagt. Dieser Teil des Gehirns scheint an einer Vielzahl von Funktionen beteiligt zu sein, einschließlich Sprache und visuelle Verarbeitung, ist aber für keine Funktion entscheidend; Patienten können nach der Entfernung normal funktionieren.

Sobald das Gewebe entfernt wurde, die Forscher legten es in eine Lösung, die der Zerebrospinalflüssigkeit sehr ähnlich war, mit Sauerstoff durchströmt. Dadurch konnten sie das Gewebe bis zu am Leben halten 48 Std. Während dieser Zeit, Sie verwendeten eine Technik, die als Patch-Clamp-Elektrophysiologie bekannt ist, um zu messen, wie elektrische Signale entlang Dendriten von Pyramidenneuronen wandern, Dies sind die häufigsten Arten von erregenden Neuronen im Kortex.

Diese Experimente wurden hauptsächlich von Beaulieu-Laroche . durchgeführt. Harnetts Labor (und andere) haben diese Art von Experiment bereits an Nagetier-Dendriten durchgeführt, aber sein Team ist das erste, das die elektrischen Eigenschaften menschlicher Dendriten analysiert.

Einzigartige Funktionen

Die Forscher fanden heraus, dass menschliche Dendriten größere Entfernungen zurücklegen, ein Signal, das entlang eines menschlichen Dendriten aus einer Schicht fließt 1 zum Zellkörper in Schicht 5 ist viel schwächer, wenn es ankommt als ein Signal, das entlang eines Rattendendriten von Schicht . fließt 1 schichten 5.

Sie zeigten auch, dass Dendriten von Mensch und Ratte die gleiche Anzahl von Ionenkanälen haben, die den Stromfluss regulieren, in menschlichen Dendriten treten diese Kanäle jedoch aufgrund der Dendritendehnung in geringerer Dichte auf. Sie entwickelten auch ein detailliertes biophysikalisches Modell, das zeigt, dass diese Dichteänderung einige der Unterschiede in der elektrischen Aktivität zwischen Menschen- und Rattendendriten erklären kann, Harnett sagt.

Nelson Spruston, Senior Director of Scientific Programmes am Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, beschrieb die Analyse der Forscher zu menschlichen Dendriten als „eine bemerkenswerte Leistung“.

„Dies sind die bisher genauesten Messungen der physiologischen Eigenschaften menschlicher Neuronen“,“ sagt Spruston, die nicht in der Forschung beteiligt. „Solche Experimente sind technisch sehr anspruchsvoll, auch bei Mäusen und Ratten, also aus technischer Sicht, Es ist ziemlich erstaunlich, dass sie dies beim Menschen getan haben.“

Bleibt die Frage, Wie wirken sich diese Unterschiede auf die menschliche Gehirnleistung aus?? Harnetts Hypothese ist, dass aufgrund dieser Unterschiede, die es mehr Regionen eines Dendriten ermöglichen, die Stärke eines eingehenden Signals zu beeinflussen, einzelne Neuronen können komplexere Berechnungen der Informationen durchführen.

„Wenn Sie eine kortikale Säule haben, die einen Teil des menschlichen oder Nagetierkortex enthält, Sie werden in der Lage sein, mit der menschlichen Architektur im Vergleich zur Nagetierarchitektur mehr Berechnungen schneller durchzuführen," er sagt.

Es gibt viele andere Unterschiede zwischen menschlichen Neuronen und denen anderer Spezies, Harnett fügt hinzu, was es schwierig macht, die Auswirkungen der dendritischen elektrischen Eigenschaften herauszukitzeln. In zukünftigen Studien, er hofft, den genauen Einfluss dieser elektrischen Eigenschaften weiter untersuchen zu können, und wie sie mit anderen einzigartigen Eigenschaften menschlicher Neuronen interagieren, um mehr Rechenleistung zu erzeugen.

Die Forschung wurde vom National Sciences and Engineering Research Council of Canada finanziert, das David Mahoney Neuroimaging Grant-Programm der Dana Foundation, und die National Institutes of Health.

Quelle:

http://news.mit.edu, von Anne Trafton