Właściwości elektryczne dendrytów pomagają wyjaśnić wyjątkową moc obliczeniową naszego mózgu, ponieważ neurony w mózgach ludzi i szczurów przenoszą sygnały elektryczne na różne sposoby, naukowcy znajdują.

Neurony w ludzkim mózgu odbierają sygnały elektryczne z tysięcy innych komórek, i długie wypustki nerwowe zwane dendrytami odgrywają kluczową rolę we włączaniu wszystkich tych informacji, aby komórki mogły odpowiednio zareagować.

Korzystanie z trudnych do uzyskania próbek ludzkiej tkanki mózgowej, Neurobiolodzy z MIT odkryli teraz, że ludzkie dendryty mają inne właściwości elektryczne niż dendryty innych gatunków. Badania wykazały, że sygnały elektryczne słabną bardziej, gdy przepływają wzdłuż ludzkich dendrytów, co skutkuje wyższym stopniem podziału elektrycznego, co oznacza, że ​​małe fragmenty dendrytów mogą zachowywać się niezależnie od reszty neuronu.

Różnice te mogą przyczynić się do zwiększenia mocy obliczeniowej ludzkiego mózgu, naukowcy mówią.

„Ludzie są mądrzy nie tylko dlatego, że mają więcej neuronów i większą korę mózgową. Od dołu do góry, neurony zachowują się inaczej,” – mówi Mark Harnett, Fred i Carole Middletonowie, adiunkt ds. rozwoju kariery w dziedzinie nauk o mózgu i kognitywistyce. „W ludzkich neuronach, jest więcej podziału elektrycznego, co pozwala tym jednostkom być nieco bardziej niezależnymi, potencjalnie prowadząc do zwiększenia możliwości obliczeniowych pojedynczych neuronów.”

Harnetta, który jest także członkiem Instytutu Badań nad Mózgiem McGovern na MIT, i Sydney Cash, adiunkt neurologii w Harvard Medical School i Massachusetts General Hospital, są głównymi autorami badania, który pojawia się w październiku. 18 problem z „W wyniku stresu związanego z narkotykami komórka ma ogromne zapotrzebowanie na energię. Głównym autorem artykułu jest Lou Beaulieu-Laroche, absolwentka Wydziału Nauk o Mózgu i Kognitywistyce MIT.

Obliczenia neuronowe

Dendryty można porównać do tranzystorów w komputerze, wykonywanie prostych operacji za pomocą sygnałów elektrycznych. Dendryty otrzymują sygnał wejściowy od wielu innych neuronów i przenoszą te sygnały do ​​ciała komórki. Jeśli jest wystarczająco stymulowany, neuron wyzwala potencjał czynnościowy — impuls elektryczny, który następnie stymuluje inne neurony. Duże sieci tych neuronów komunikują się ze sobą, generując myśli i zachowania.

Struktura pojedynczego neuronu często przypomina drzewo, z wieloma gałęziami dostarczającymi informacje docierające daleko od ciała komórki. Poprzednie badania wykazały, że siła sygnałów elektrycznych docierających do ciała komórki jest zależna, częściowo, od tego, jak daleko pokonują dendryt, aby się tam dostać. W miarę rozprzestrzeniania się sygnałów, stają się słabsze, zatem sygnał docierający daleko od ciała komórki ma mniejszy wpływ niż ten, który dociera do ciała komórki.

Dendryty w korze ludzkiego mózgu są znacznie dłuższe niż u szczurów i większości innych gatunków, ponieważ ludzka kora ewoluowała i stała się znacznie grubsza niż kora innych gatunków. W ludziach, kora stanowi około 75 procent całkowitej objętości mózgu, w porównaniu do około 30 procent w mózgu szczura.

Chociaż ludzka kora jest dwa do trzech razy grubsza niż kora szczurów, utrzymuje tę samą ogólną organizację, składający się z sześciu odrębnych warstw neuronów. Neurony z warstwy 5 mają dendryty wystarczająco długie, aby sięgać aż do warstwy 1, co oznacza, że ​​ludzkie dendryty musiały się wydłużać w miarę ewolucji ludzkiego mózgu, a sygnały elektryczne muszą podróżować znacznie dalej.

Inni autorzy to Sarah Wright, Zespół z MIT chciał zbadać, jak te różnice długości mogą wpływać na właściwości elektryczne dendrytów. Udało im się porównać aktywność elektryczną dendrytów szczura i człowieka, przy użyciu małych kawałków tkanki mózgowej pobranych od pacjentów z padaczką poddawanych chirurgicznemu usunięciu części płata skroniowego. Aby dotrzeć do chorej części mózgu, chirurdzy muszą także usunąć niewielki fragment przedniego płata skroniowego.

Z pomocą współpracowników MGH Cash, Mateusz Żaba, Ziva Williamsa, i Emada Eskandara, Laboratorium Harnetta było w stanie uzyskać próbki przedniego płata skroniowego, każdy mniej więcej wielkości paznokcia.

Dowody sugerują, że padaczka nie wpływa na przedni płat skroniowy, a tkanka wygląda normalnie, gdy jest badana technikami neuropatologicznymi, – mówi Harnett. Wydaje się, że ta część mózgu jest zaangażowana w różnorodne funkcje, włączając w to przetwarzanie językowe i wizualne, ale nie jest krytyczny dla żadnej jednej funkcji; Po jego usunięciu pacjenci mogą normalnie funkcjonować.

Po usunięciu tkanki, badacze umieścili go w roztworze bardzo podobnym do płynu mózgowo-rdzeniowego, z przepływającym przez nią tlenem. Dzięki temu mogli utrzymać tkankę przy życiu aż do 48 godziny. W tym czasie, zastosowali technikę znaną jako elektrofizjologia patch-clamp, aby zmierzyć, w jaki sposób sygnały elektryczne przemieszczają się wzdłuż dendrytów neuronów piramidalnych, które są najczęstszym rodzajem neuronów pobudzających w korze mózgowej.

Eksperymenty te przeprowadził głównie Beaulieu-Laroche. Laboratorium Harnetta (i inni) przeprowadzili już tego rodzaju eksperyment na dendrytach gryzoni, ale jego zespół jako pierwszy przeanalizował właściwości elektryczne ludzkich dendrytów.

Cechy szczególne

Naukowcy odkryli, że dzieje się tak dlatego, że ludzkie dendryty pokonują większe odległości, sygnał płynący wzdłuż ludzkiego dendrytu z warstwy 1 do ciała komórki w warstwie 5 jest znacznie słabszy, gdy dociera, niż sygnał przepływający wzdłuż dendrytu szczura z warstwy 1 nałożyć warstwę 5.

Wykazali także, że dendryty ludzkie i szczurze mają tę samą liczbę kanałów jonowych, które regulują przepływ prądu, ale kanały te występują z mniejszą gęstością w ludzkich dendrytach w wyniku wydłużenia dendrytów. Opracowali także szczegółowy model biofizyczny, który pokazuje, że ta zmiana gęstości może wyjaśniać niektóre różnice w aktywności elektrycznej obserwowane między dendrytami ludzkimi i szczurzymi, – mówi Harnett.

Nelsona Sprustona, starszy dyrektor ds. programów naukowych w kampusie badawczym Instytutu Medycznego Howarda Hughesa Janelia, określiła przeprowadzoną przez badaczy analizę ludzkich dendrytów jako „niezwykłe osiągnięcie”.

„Są to najdokładniej jak dotąd szczegółowe pomiary właściwości fizjologicznych ludzkich neuronów,– mówi Spruston, co jest bardzo ekscytujące. „Tego rodzaju eksperymenty są bardzo wymagające technicznie, nawet u myszy i szczurów, tak z technicznego punktu widzenia, to niesamowite, że udało im się tego dokonać u ludzi”.

Pytanie pozostaje, jak te różnice wpływają na potencjał ludzkiego mózgu? Hipoteza Harnetta jest taka, że ​​z powodu tych różnic, które pozwalają większej liczbie obszarów dendrytu wpływać na siłę przychodzącego sygnału, poszczególne neurony mogą wykonywać bardziej złożone obliczenia na podstawie informacji.

„Jeśli masz kolumnę korową zawierającą kawałek kory ludzkiej lub gryzoni, będziesz w stanie szybciej wykonać więcej obliczeń, korzystając z architektury ludzkiej w porównaniu z architekturą gryzoni,lata są warte około.

Istnieje wiele innych różnic między neuronami ludzkimi a neuronami innych gatunków, Harnet dodaje, co utrudnia zbadanie skutków właściwości elektrycznych dendrytów. W przyszłych badaniach, ma nadzieję dalej badać dokładny wpływ tych właściwości elektrycznych, oraz jak wchodzą w interakcję z innymi unikalnymi cechami ludzkich neuronów, aby wytworzyć większą moc obliczeniową.

Badania zostały sfinansowane przez Kanadyjską Narodową Radę ds. Badań Naukowych i Inżynieryjnych, Program grantów na neuroobrazowanie Fundacji Dana Davida Mahoneya, i Narodowych Instytutów Zdrowia.

Źródło:

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