Le proprietà elettriche dei dendriti aiutano a spiegare la potenza di calcolo unica del nostro cervello poiché i neuroni nel cervello umano e di ratto trasportano segnali elettrici in modi diversi, gli scienziati trovano.

I neuroni nel cervello umano ricevono segnali elettrici da migliaia di altre cellule, e le lunghe estensioni neurali chiamate dendriti svolgono un ruolo fondamentale nell'incorporare tutte queste informazioni in modo che le cellule possano rispondere in modo appropriato.

Utilizzo di campioni difficili da ottenere di tessuto cerebrale umano, I neuroscienziati del MIT hanno ora scoperto che i dendriti umani hanno proprietà elettriche diverse da quelle di altre specie. I loro studi rivelano che i segnali elettrici si indeboliscono maggiormente mentre scorrono lungo i dendriti umani, con conseguente maggiore compartimentazione elettrica, il che significa che piccole sezioni di dendriti possono comportarsi indipendentemente dal resto del neurone.

Queste differenze possono contribuire alla maggiore potenza di calcolo del cervello umano, dicono i ricercatori.

“Non è solo che gli esseri umani sono intelligenti perché abbiamo più neuroni e una corteccia più grande. Dal basso verso l'alto, i neuroni si comportano diversamente," dice Mark Harnett, il Fred e Carole Middleton Assistente allo sviluppo professionale di Scienze cerebrali e cognitive. “Nei neuroni umani, c'è più compartimentazione elettrica, e ciò consente a queste unità di essere un po' più indipendenti, potenzialmente portando a maggiori capacità computazionali dei singoli neuroni.

Harnet, che è anche membro del McGovern Institute for Brain Research del MIT, e Sydney Cash, un assistente professore di neurologia presso la Harvard Medical School e il Massachusetts General Hospital, sono gli autori senior dello studio, che compare nell'ottobre. 18 problema di Cellula. L'autore principale del giornale è Lou Beaulieu-Laroche, uno studente laureato presso il Dipartimento di Scienze del Cervello e delle Scienze Cognitive del MIT.

Calcolo neurale

I dendriti possono essere considerati analoghi ai transistor in un computer, eseguire semplici operazioni utilizzando segnali elettrici. I dendriti ricevono input da molti altri neuroni e trasportano quei segnali al corpo cellulare. Se abbastanza stimolato, un neurone attiva un potenziale d'azione, un impulso elettrico che poi stimola altri neuroni. Grandi reti di questi neuroni comunicano tra loro per generare pensieri e comportamenti.

La struttura di un singolo neurone ricorda spesso un albero, con molti rami che portano informazioni che arrivano lontano dal corpo cellulare. Ricerche precedenti hanno scoperto che la forza dei segnali elettrici che arrivano al corpo cellulare dipende, in parte, su quanto lontano percorrono lungo il dendrite per arrivarci. Mentre i segnali si propagano, diventano più deboli, quindi un segnale che arriva lontano dal corpo cellulare ha un impatto minore di uno che arriva vicino al corpo cellulare.

I dendriti nella corteccia del cervello umano sono molto più lunghi di quelli dei ratti e della maggior parte delle altre specie, perché la corteccia umana si è evoluta per essere molto più spessa di quella di altre specie. Negli umani, la corteccia compone 75 percentuale del volume totale del cervello, rispetto a circa 30 per cento nel cervello di ratto.

Sebbene la corteccia umana sia da due a tre volte più spessa di quella dei ratti, mantiene la stessa organizzazione complessiva, costituito da sei distinti strati di neuroni. Neuroni dallo strato 5 avere dendriti abbastanza a lungo da raggiungere fino allo strato 1, il che significa che i dendriti umani hanno dovuto allungarsi man mano che il cervello umano si è evoluto, e i segnali elettrici devono viaggiare molto più lontano.

Nel nuovo studio, il team del MIT voleva studiare come queste differenze di lunghezza potrebbero influenzare le proprietà elettriche dei dendriti. Sono stati in grado di confrontare l'attività elettrica nei dendriti di ratto e umani, utilizzando piccoli pezzi di tessuto cerebrale prelevati da pazienti epilettici sottoposti a rimozione chirurgica di parte del lobo temporale. Per raggiungere la parte malata del cervello, i chirurghi devono anche estrarre un piccolo pezzo del lobo temporale anteriore.

Con l'aiuto dei collaboratori di MGH Cash, Matteo Rana, Ziv Williams, ed Emad Eskandar, Il laboratorio di Harnett è stato in grado di ottenere campioni del lobo temporale anteriore, ciascuno delle dimensioni di un'unghia.

L'evidenza suggerisce che il lobo temporale anteriore non è affetto da epilessia, e il tessuto appare normale quando esaminato con tecniche neuropatologiche, dice Harnet. Questa parte del cervello sembra essere coinvolta in una varietà di funzioni, compreso il linguaggio e l'elaborazione visiva, ma non è fondamentale per nessuna funzione; i pazienti sono in grado di funzionare normalmente dopo che è stato rimosso.

Una volta rimosso il tessuto, i ricercatori lo hanno posto in una soluzione molto simile al liquido cerebrospinale, con ossigeno che scorre attraverso di essa. Ciò ha permesso loro di mantenere in vita il tessuto fino a 48 ore. Durante quel periodo, hanno usato una tecnica nota come elettrofisiologia patch-clamp per misurare come i segnali elettrici viaggiano lungo i dendriti dei neuroni piramidali, che sono il tipo più comune di neuroni eccitatori nella corteccia.

Questi esperimenti sono stati eseguiti principalmente da Beaulieu-Laroche. Il laboratorio di Harnett (e altri) hanno precedentemente fatto questo tipo di esperimento nei dendriti dei roditori, ma il suo team è il primo ad analizzare le proprietà elettriche dei dendriti umani.

Caratteristiche uniche

I ricercatori lo hanno scoperto perché i dendriti umani coprono distanze più lunghe, un segnale che scorre lungo un dendrite umano dallo strato 1 al corpo cellulare nello strato 5 è molto più debole quando arriva di un segnale che scorre lungo un dendrite di ratto dallo strato 1 a strati 5.

Hanno anche dimostrato che i dendriti umani e di ratto hanno lo stesso numero di canali ionici, che regolano il flusso di corrente, ma questi canali si verificano a una densità inferiore nei dendriti umani come risultato dell'allungamento dei dendriti. Hanno anche sviluppato un modello biofisico dettagliato che mostra che questo cambiamento di densità può spiegare alcune delle differenze nell'attività elettrica osservate tra i dendriti umani e di ratto, dice Harnet.

Nelson Spruston, direttore senior dei programmi scientifici presso l'Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, ha descritto l'analisi dei dendriti umani da parte dei ricercatori come "un risultato straordinario".

“Queste sono le misurazioni più dettagliate fino ad oggi delle proprietà fisiologiche dei neuroni umani," dice Spruston, che non è stato coinvolto nella ricerca. “Questo tipo di esperimenti è tecnicamente molto impegnativo, anche nei topi e nei ratti, quindi dal punto di vista tecnico, è piuttosto sorprendente che l'abbiano fatto negli esseri umani".

La domanda rimane, in che modo queste differenze influenzano la capacità cerebrale umana? L'ipotesi di Harnett è che a causa di queste differenze, che consentono a più regioni di un dendrite di influenzare la forza di un segnale in ingresso, i singoli neuroni possono eseguire calcoli più complessi sulle informazioni.

“Se hai una colonna corticale che ha un pezzo di corteccia umana o di roditore, sarai in grado di eseguire più calcoli più velocemente con l'architettura umana rispetto all'architettura dei roditori," lui dice.

Ci sono molte altre differenze tra i neuroni umani e quelli di altre specie, Aggiunge Harnet, rendendo difficile l'analisi degli effetti delle proprietà elettriche dendritiche. Negli studi futuri, spera di esplorare ulteriormente l'impatto preciso di queste proprietà elettriche, e come interagiscono con altre caratteristiche uniche dei neuroni umani per produrre più potenza di calcolo.

La ricerca è stata finanziata dal National Sciences and Engineering Research Council of Canada, il programma di sovvenzioni per neuroimaging David Mahoney della Dana Foundation, e il National Institutes of Health.

fonte:

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