Les propriétés électriques des dendrites aident à expliquer la puissance de calcul unique de notre cerveau, car les neurones des cerveaux humains et de rats transportent les signaux électriques de différentes manières, les scientifiques trouvent.

Neurones dans le cerveau humain reçoivent des signaux électriques de milliers d'autres cellules, et de longues extensions de neurones appelés dendrites jouent un rôle essentiel dans l'intégration de tous ces renseignements afin que les cellules puissent répondre de façon appropriée.

En utilisant difficiles à obtenir des échantillons de tissu cérébral humain, MIT neuroscientifiques ont découvert que les dendrites humains ont des propriétés électriques différentes de celles des autres espèces. Leurs études révèlent que les signaux électriques fragilisent plus comme ils coulent le long des dendrites humains, résultant en un degré plus élevé de compartimentation électrique, ce qui signifie que les petites sections de dendrites peuvent se comporter indépendamment du reste du neurone.

Ces différences peuvent contribuer à la puissance de calcul accrue du cerveau humain, les chercheurs disent.

« Il ne suffit pas que les humains sont intelligents parce que nous avons plus de neurones et un cortex plus. De bas en haut, les neurones se comportent différemment,», Dit Mark Harnett, l'adjoint Fred et Carole Middleton développement de carrière Professeur de sciences du cerveau et cognitives. « Dans les neurones humains, il y a plus compartimentation électrique, et qui permet à ces unités d'être un peu plus indépendant, qui pourrait entraîner une augmentation des capacités de calcul des neurones simples « .

Harnett, qui est également membre de l'Institut McGovern du MIT pour la recherche sur le cerveau, et Sydney trésorerie, professeur adjoint de neurologie à la Harvard Medical School et Massachusetts General Hospital, sont les principaux auteurs de l'étude, qui apparaît dans l'OPO. 18 problème de Cellule. L'auteur principal de l'article est Lou Beaulieu-Laroche, un étudiant diplômé du Département des sciences cérébrales et cognitives du MIT.

Calcul neuronal

Les dendrites peuvent être considérées comme analogues aux transistors dans un ordinateur, effectuer des opérations simples à l'aide de signaux électriques. Les dendrites reçoivent des informations de nombreux autres neurones et transmettent ces signaux au corps cellulaire. Si suffisamment stimulé, un neurone déclenche un potentiel d'action - une impulsion électrique qui stimule ensuite d'autres neurones. De grands réseaux de ces neurones communiquent entre eux pour générer des pensées et des comportements.

La structure d'un seul neurone ressemble souvent à un arbre, avec de nombreuses branches apportant des informations qui arrivent loin du corps cellulaire. Des recherches antérieures ont montré que la force des signaux électriques arrivant au corps cellulaire dépend, en partie, sur la distance qu'ils parcourent le long de la dendrite pour y arriver. Au fur et à mesure que les signaux se propagent, ils deviennent plus faibles, donc un signal qui arrive loin du corps cellulaire a moins d'impact qu'un signal qui arrive près du corps cellulaire.

Les dendrites du cortex du cerveau humain sont beaucoup plus longues que celles des rats et de la plupart des autres espèces, parce que le cortex humain a évolué pour être beaucoup plus épais que celui des autres espèces. Chez l'homme, le cortex constitue environ 75 % du volume total du cerveau, par rapport à environ 30 pour cent dans le cerveau du rat.

Bien que le cortex humain soit deux à trois fois plus épais que celui des rats, il conserve la même organisation globale, composé de six couches distinctes de neurones. Neurones de la couche 5 avoir des dendrites assez longues pour atteindre jusqu'à la couche 1, ce qui signifie que les dendrites humaines ont dû s'allonger à mesure que le cerveau humain a évolué, et les signaux électriques doivent voyager beaucoup plus loin.

Dans la nouvelle étude, l'équipe du MIT voulait étudier comment ces différences de longueur pourraient affecter les propriétés électriques des dendrites. Ils ont pu comparer l'activité électrique des dendrites de rats et humaines, à l'aide de petits morceaux de tissu cérébral prélevés sur des patients épileptiques subissant une ablation chirurgicale d'une partie du lobe temporal. Pour atteindre la partie malade du cerveau, les chirurgiens doivent également retirer un petit morceau du lobe temporal antérieur.

Avec l'aide des collaborateurs de l'HGM Cash, Matthieu Grenouille, Ziv Williams, et Emad Iskandar, Le laboratoire de Harnett a pu obtenir des échantillons du lobe temporal antérieur, chacun de la taille d'un ongle.

Les preuves suggèrent que le lobe temporal antérieur n'est pas affecté par l'épilepsie, et le tissu semble normal lors de l'examen des techniques neuropathologiques, Harnett dit. Cette partie du cerveau semble être impliqué dans une variété de fonctions, y compris la langue et le traitement visuel, mais il est pas critique pour une fonction; les patients sont en mesure de fonctionner normalement après sa suppression.

Une fois que le tissu a été enlevé, les chercheurs ont placé dans une solution très semblable au liquide céphalo-rachidien, avec un courant d'oxygène à travers elle. Cela leur a permis de garder le tissu vivant jusqu'à 48 heures. Pendant ce temps, ils ont utilisé une technique connue sous le nom d'électrophysiologie patch-clamp pour mesurer la façon dont les signaux électriques se déplacent le long des dendrites des neurones pyramidaux, qui sont le type le plus courant de neurones excitateurs dans le cortex.

Ces expériences ont été réalisées principalement par Beaulieu-Laroche. Le laboratoire de Harnett (et d'autres) ont déjà fait ce genre d'expérience sur des dendrites de rongeurs, mais son équipe est la première à analyser les propriétés électriques des dendrites humaines.

Caractéristiques uniques

Les chercheurs ont découvert que parce que les dendrites humaines couvrent de plus longues distances, un signal circulant le long d'une dendrite humaine à partir d'une couche 1 au corps cellulaire en couche 5 est beaucoup plus faible lorsqu'il arrive qu'un signal circulant le long d'une dendrite de rat depuis la couche 1 superposer 5.

Ils ont également montré que les dendrites humaines et de rat ont le même nombre de canaux ioniques, qui régulent le passage du courant, mais ces canaux se produisent à une densité inférieure dans les dendrites humaines en raison de l'allongement de la dendrite. Ils ont également développé un modèle biophysique détaillé qui montre que ce changement de densité peut expliquer certaines des différences d'activité électrique observées entre les dendrites humaines et de rat., Harnett dit.

Nelson Spruston, directeur principal des programmes scientifiques au Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, a décrit l'analyse des dendrites humaines par les chercheurs comme "une réalisation remarquable".

"Ce sont les mesures les plus détaillées à ce jour des propriétés physiologiques des neurones humains," dit Spruston, qui n'a pas été impliqué dans la recherche. "Ce genre d'expériences est très exigeant techniquement, même chez les souris et les rats, donc d'un point de vue technique, c’est assez incroyable qu’ils aient fait cela chez les humains.

La question demeure, comment ces différences affectent-elles le cerveau humain? L'hypothèse de Harnett est qu'en raison de ces différences, qui permettent à plus de régions d'une dendrite d'influencer la force d'un signal entrant, les neurones individuels peuvent effectuer des calculs plus complexes sur les informations.

"Si vous avez une colonne corticale qui contient un morceau de cortex humain ou de rongeur, vous allez pouvoir accomplir plus de calculs plus rapidement avec l'architecture humaine par rapport à l'architecture rongeur," il dit.

Il existe de nombreuses autres différences entre les neurones humains et ceux des autres espèces, Harnet ajoute, ce qui rend difficile de démêler les effets des propriétés électriques dendritiques. Dans les études futures, il espère explorer plus avant l'impact précis de ces propriétés électriques, et comment ils interagissent avec d'autres caractéristiques uniques des neurones humains pour produire plus de puissance de calcul.

La recherche a été financée par le Conseil de recherches en sciences nationales et en génie du Canada, le programme de bourses de neuroimagerie David Mahoney de la Fondation Dana, et l'Institut national de la santé.

La source:

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