Elektrische eigenschappen van dendrieten te helpen in de menselijke en de hersenen van ratten uit te leggen van onze hersenen unieke rekenkracht als Neuronen voeren elektrische signalen op verschillende manieren, wetenschappers vinden.

Neuronen in de hersenen ontvangt elektrische signalen van duizenden andere cellen, en lange neurale extensies genoemd dendrites spelen een cruciale rol in de integratie van al die informatie, zodat de cellen adequaat kunnen reageren.

Behulp monsters van humaan hersenweefsel moeilijk te verkrijgen, MIT neurowetenschappers hebben nu ontdekt dat de menselijke dendrieten hebben verschillende elektrische eigenschappen van die van andere diersoorten. Hun studies blijkt dat elektrische signalen verzwakken more mocht stroming langs menselijke dendrieten, wat resulteert in een hogere elektrische compartimentalisatie, Dit betekent dat kleine delen van dendrieten zelfstandig gedraagt ​​dan de rest van het neuron.

Deze verschillen kunnen bijdragen tot een betere rekenkracht van het menselijk brein, zeggen de onderzoekers.

“Het is niet alleen dat de mensen zijn slim, want we hebben meer neuronen en een grotere cortex. Van onder naar boven, neuronen zich anders gedragen,”Zegt Mark Harnett, de Fred en Carole Middleton Career Development Assistant Professor Brain and Cognitive Sciences. “In menselijke neuronen, er meer elektrische verkokering, en die het mogelijk maakt deze eenheden om een ​​beetje meer onafhankelijk te zijn, wat kan leiden tot computationele mogelijkheden van enkele neuronen toegenomen.”

Harnett, die ook een lid van MIT's McGovern Institute for Brain Research, en Sydney Cash, een assistent-professor neurologie aan de Harvard Medical School en het Massachusetts General Hospital, zijn de senior auteurs van de studie, die verschijnt in het oktober. 18 probleem van Cel. de eerste auteur van het papier is Lou Beaulieu-Laroche, een afgestudeerde student in MIT's Department of Brain and Cognitive Sciences.

Neural berekening

Dendrieten kan worden gezien als analoog aan transistoren in een computer, uitvoeren van eenvoudige bewerkingen met elektrische signalen. Dendrieten ontvangt input van vele andere neuronen en die signalen dragen naar het cellichaam. Als er genoeg gestimuleerd, een neuron vuurt een actiepotentiaal - een elektrische impuls die vervolgens stimuleert andere neuronen. Grote netwerken van deze neuronen communiceren met elkaar om gedachten en gedrag te genereren.

De structuur van een enkel neuron lijkt vaak op een boom, met vele takken binnenhalen van gegevens zo ver binnenkomt vanuit het cellichaam. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat de sterkte van de elektrische signalen die bij de cel lichaam hangt af, gedeeltelijk, van hoe ver ze reizen langs de dendriet om er te komen. Aangezien de signalen propageren, ze worden zwakker, zodat een signaal dat aankomt ver van het cellichaam heeft minder impact dan die aankomt bij het cellichaam.

Dendrieten in de cortex van de menselijke hersenen zijn veel langer dan die bij ratten en de meeste andere soorten, omdat het menselijke cortex heeft zich ontwikkeld tot veel dikker dan die van andere soorten zijn. In mensen, de cortex maakt ongeveer 75 procent van het totale hersenvolume, vergeleken met ongeveer 30 procent in de rattenhersenen.

Hoewel de menselijke cortex 2-3 maal dikker dan bij ratten, Het handhaaft dezelfde algemene organisatie, van zes onderscheidende lagen neuronen. Neuronen tegen layer 5 hebben dendrieten lang genoeg om de hele weg te bereiken op laag 1, wat betekent dat de menselijke dendrieten hebben moeten verlengen als het menselijk brein is geëvolueerd, en elektrische signalen veel verder reizen dat.

In de nieuwe studie, de MIT-team wilde onderzoeken hoe deze lengte verschillen van invloed kunnen zijn elektrische eigenschappen dendrieten. Ze waren in staat om elektrische activiteit te vergelijken in ratten en mensen dendrieten, met kleine stukjes hersenweefsel uit epilepsiepatïënten chirurgische verwijdering van een deel van de temporale kwab ondergaan. Met het oog op het zieke deel van de hersenen bereiken, chirurgen hebben ook tot het afsluiten van een klein deel van de anterieure temporale kwab.

Met de hulp van MGH medewerkers Cash, Matthew Frosch, Ziv Williams, en Emad Eskandar, Harnett's lab was in staat om monsters van de voorste temporale kwab verkrijgen, elk ongeveer de grootte van een vingernagel.

Er zijn aanwijzingen dat de voorste temporale kwab niet wordt beïnvloed door epilepsie, en het weefsel wordt normaal bij onderzocht neuropathologische technieken, Harnett zegt. Dit deel van de hersenen lijkt te worden betrokken bij een verscheidenheid aan functies, inclusief taal- en visuele verwerking, maar is niet kritisch voor één functie; patiënten kunnen normaal functioneren nadat het is verwijderd.

Zodra het weefsel werd verwijderd, de onderzoekers geplaatst in oplossing vergelijkbaar met cerebrospinale vloeistof, zuurstof doorstromende. Dit konden ze het weefsel levend voor maximaal te houden 48 uur. Gedurende die tijd, ze gebruikt een techniek die patch-clamp elektrofysiologie te meten hoe elektrische signalen langs dendrieten van pyramidale neuronen, die de meest voorkomende vorm van exciterende neuronen in de cortex.

Deze experimenten werden voornamelijk uitgevoerd door Beaulieu-Laroche. Harnett's lab (en anderen) hebben eerder gedaan dit soort experiment in knaagdieren dendrieten, maar zijn team is de eerste die de elektrische eigenschappen van het menselijk dendrieten analyseren.

Unieke kenmerken

De onderzoekers vinden dat, omdat de menselijke dendrieten dekken langere afstanden, een signaal stroomt langs een menselijke dendriet van laag 1 het cellichaam in laag 5 veel zwakker wanneer ze aankomt dan een signaal stroomt langs een rat dendriet van laag 1 aan laag 5.

Zij toonde ook aan dat de mens en de rat dendrieten hebben hetzelfde aantal ionkanalen, die de stroom reguleren, maar deze kanalen plaatsvindt bij een lagere dichtheid in menselijke dendrieten als gevolg van de rek dendriet. Ontwikkelden zij ook een betere biofysische model laat zien dat deze verandering dichtheid kan verklaren enkele verschillen in elektrische activiteit waargenomen tussen menselijke en ratten dendrieten, Harnett zegt.

Nelson Spruston, senior director van wetenschappelijke programma's van het Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, beschreven analyse van menselijk dendrieten van de onderzoekers als ‘een opmerkelijke prestatie.’

“Dit zijn de meest zorgvuldig gedetailleerde metingen tot nu toe van de fysiologische eigenschappen van menselijke neuronen,”Zegt Spruston, die niet betrokken was bij het onderzoek. “Dit soort experimenten zijn zeer technisch veeleisend, zelfs bij muizen en ratten, dus vanuit een technisch perspectief, Het is nogal verbazingwekkend dat ze dit heeft gedaan bij de mens.”

De vraag blijft, hoe deze verschillen van invloed op het menselijk intellect? Harnett's hypothese is dat als gevolg van deze verschillen, waardoor meer gebieden van een dendriet om de sterkte van een inkomend signaal beïnvloeden, individuele neuronen kan meer complexe berekeningen uit te voeren op de informatie.

“Als je een corticale kolom die een stuk van mens of knaagdier cortex, zul je in staat zijn om meer berekeningen sneller te bereiken met de menselijke architectuur versus het knaagdier architectuur," hij zegt.

Er zijn vele andere verschillen tussen menselijke neuronen en die van andere diersoorten, Harnett voegt, waardoor het moeilijk is om te plagen uit de effecten van dendritische elektrische eigenschappen. In toekomstige studies, hij hoopt om de precieze impact van deze elektrische eigenschappen verder te verkennen, en hoe ze omgaan met andere unieke kenmerken van de menselijke neuronen om meer rekenkracht te produceren.

Het onderzoek werd gefinancierd door de Nationale Raad voor Sciences and Engineering Research van Canada, het Dana Foundation David Mahoney Neuroimaging Grant Program, en de National Institutes of Health.

Bron:

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