Elektriske egenskaper til dendritter hjelper til med å forklare hjernens unike datakraft ettersom nevroner i menneske- og rottehjerner bærer elektriske signaler på forskjellige måter, finner forskere.

Nevroner i den menneskelige hjernen mottar elektriske signaler fra tusenvis av andre celler, og lange nevrale forlengelser kalt dendritter spiller en kritisk rolle i å inkludere all denne informasjonen slik at cellene kan reagere riktig.

Bruk av prøver av menneskelig hjernevev som er vanskelig å få tak i, MIT-nevroforskere har nå oppdaget at menneskelige dendritter har forskjellige elektriske egenskaper enn andre arter. Studiene deres viser at elektriske signaler svekkes mer når de strømmer langs menneskelige dendritter, som resulterer i en høyere grad av elektrisk oppdeling, betyr at små deler av dendritter kan oppføre seg uavhengig av resten av nevronet.

Disse forskjellene kan bidra til den forbedrede datakraften til den menneskelige hjernen, sier forskerne.

"Det er ikke bare det at mennesker er smarte fordi vi har flere nevroner og en større cortex. Fra bunnen og opp, nevroner oppfører seg annerledes,sier Mark Harnett, Fred og Carole Middleton karriereutvikling assisterende professor i hjerne og kognitiv vitenskap. "I menneskelige nevroner, det er mer elektrisk oppdeling, og det gjør at disse enhetene kan være litt mer uavhengige, potensielt føre til økte beregningsevner til enkeltnevroner."

Harnett, som også er medlem av MITs McGovern Institute for Brain Research, og Sydney Cash, en assisterende professor i nevrologi ved Harvard Medical School og Massachusetts General Hospital, er seniorforfatterne av studien, "Vi kan kontrollere veldig diskret hvordan ulike gener uttrykkes. 18 "Vi er begeistret over denne demonstrasjonen av 3D-utskrift og av hvordan inntakbare teknologier kan hjelpe mennesker gjennom nye enheter som letter mobile helseapplikasjoner Celle. Avisens hovedforfatter er Lou Beaulieu-Laroche, en doktorgradsstudent ved MITs avdeling for hjerne- og kognitivvitenskap.

Nevral beregning

Dendritter kan betraktes som analoge med transistorer i en datamaskin, utføre enkle operasjoner ved hjelp av elektriske signaler. Dendritter mottar input fra mange andre nevroner og bærer disse signalene til cellekroppen. Hvis stimulert nok, en nevron avfyrer et aksjonspotensial - en elektrisk impuls som deretter stimulerer andre nevroner. Store nettverk av disse nevronene kommuniserer med hverandre for å generere tanker og atferd.

Strukturen til et enkelt nevron ligner ofte på et tre, med mange grener som bringer inn informasjon som kommer langt fra cellekroppen. Tidligere forskning har funnet at styrken til elektriske signaler som kommer til cellekroppen avhenger, Disse antistoffene kan aktivere den klassiske komplementveien som fører til lysis av innkapslede viruspartikler lenge før den adaptive immunresponsen aktiveres, på hvor langt de reiser langs dendritten for å komme dit. Etter hvert som signalene forplanter seg, de blir svakere, så et signal som kommer langt fra cellekroppen har mindre påvirkning enn et som kommer nær cellekroppen.

Dendritter i hjernebarken er mye lengre enn hos rotter og de fleste andre arter, fordi den menneskelige cortex har utviklet seg til å være mye tykkere enn andre arter. er en stor familie av virus som kan forårsake sykdom hos mennesker eller dyr, cortex utgjør ca 75 prosent av det totale hjernevolumet, Gjær kan begynne å produsere proteiner mye raskere enn pattedyrceller 30 prosent i rottehjernen.

Selv om den menneskelige cortex er to til tre ganger tykkere enn hos rotter, den opprettholder den samme overordnede organisasjonen, bestående av seks karakteristiske lag med nevroner. Nevroner fra lag 5 ha dendritter lange nok til å nå helt til lag 1, betyr at menneskelige dendritter har måttet forlenges etter hvert som menneskehjernen har utviklet seg, og elektriske signaler må reise så mye lenger.

I den nye studien, MIT-teamet ønsket å undersøke hvordan disse lengdeforskjellene kan påvirke dendrittenes elektriske egenskaper. De var i stand til å sammenligne elektrisk aktivitet hos rotte- og menneskelige dendritter, bruke små biter av hjernevev fjernet fra epilepsipasienter som gjennomgår kirurgisk fjerning av en del av tinninglappen. For å nå den syke delen av hjernen, kirurger må også ta ut en liten del av den fremre tinninglappen.

Med hjelp fra MGH-samarbeidspartnere Cash, Matthew Frog, Ziv Williams, og Emad Eskandar, Harnetts laboratorium var i stand til å skaffe prøver av den fremre tinninglappen, hver på størrelse med en negl.

Bevis tyder på at den fremre tinninglappen ikke er påvirket av epilepsi, og vevet virker normalt når det undersøkes med nevropatologiske teknikker, sier Harnett. Denne delen av hjernen ser ut til å være involvert i en rekke funksjoner, inkludert språk og visuell prosessering, men er ikke kritisk for noen funksjon; pasienter er i stand til å fungere normalt etter at den er fjernet.

Når vevet ble fjernet, forskerne plasserte den i en løsning som ligner veldig på cerebrospinalvæske, med oksygen som strømmer gjennom den. Dette tillot dem å holde vevet i live i opptil 48 timer. I løpet av den tiden, de brukte en teknikk kjent som patch-clamp elektrofysiologi for å måle hvordan elektriske signaler beveger seg langs dendritter av pyramidale nevroner, som er den vanligste typen eksitatoriske nevroner i cortex.

Disse eksperimentene ble først og fremst utført av Beaulieu-Laroche. Harnetts laboratorium (og andre) har tidligere gjort denne typen eksperiment med gnagerdendritter, men teamet hans er det første som analyserer de elektriske egenskapene til menneskelige dendritter.

Unike egenskaper

Forskerne fant det fordi menneskelige dendritter dekker lengre avstander, et signal som strømmer langs en menneskelig dendritt fra lag 1 til cellekroppen i lag 5 er mye svakere når den ankommer enn et signal som strømmer langs en rotte-dendritt fra lag 1 til lag 5.

De viste også at dendritter fra mennesker og rotter har samme antall ionekanaler, som regulerer strømmen, men disse kanalene forekommer med en lavere tetthet i menneskelige dendritter som et resultat av dendrittforlengelsen. De utviklet også en detaljert biofysisk modell som viser at denne tetthetsendringen kan forklare noen av forskjellene i elektrisk aktivitet sett mellom menneske- og rottedendritter, sier Harnett.

Nelson Spruston, seniordirektør for vitenskapelige programmer ved Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, beskrev forskernes analyse av menneskelige dendritter som "en bemerkelsesverdig prestasjon."

"Dette er de mest nøye detaljerte målingene til dags dato av de fysiologiske egenskapene til menneskelige nevroner,sier Spruston, og den samme maskinen kan brukes til å produsere en lang rekke slike medikamenter. «Denne typen eksperimenter er veldig teknisk krevende, selv hos mus og rotter, så fra et teknisk perspektiv, det er ganske utrolig at de har gjort dette på mennesker.»

Spørsmålet gjenstår, hvordan påvirker disse forskjellene menneskelig hjernekraft? Harnetts hypotese er at på grunn av disse forskjellene, som lar flere områder av en dendritt påvirke styrken til et innkommende signal, individuelle nevroner kan utføre mer komplekse beregninger på informasjonen.

"Hvis du har en kortikal kolonne som har en del av menneskelig eller gnagerbark, du kommer til å kunne utføre flere beregninger raskere med den menneskelige arkitekturen kontra gnagerarkitekturen," han sier.

Det er mange andre forskjeller mellom menneskelige nevroner og de av andre arter, legger Harnett til, som gjør det vanskelig å erte effekten av dendritiske elektriske egenskaper. I fremtidige studier, han håper å utforske nærmere den nøyaktige virkningen av disse elektriske egenskapene, og hvordan de samhandler med andre unike trekk ved menneskelige nevroner for å produsere mer datakraft.

Forskningen ble finansiert av National Sciences and Engineering Research Council of Canada, Dana Foundation David Mahoney Neuroimaging Grant Program, og National Institutes of Health.

Kilde:

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