As propriedades elétricas dos dendritos ajudam a explicar o poder de computação único do nosso cérebro, pois os neurônios nos cérebros humanos e de ratos transportam sinais elétricos de maneiras diferentes, cientistas descobrem.

Os neurônios no cérebro humano recebem sinais elétricos de milhares de outras células, e longas extensões neurais chamadas dendritos desempenham um papel crítico na incorporação de todas essas informações para que as células possam responder adequadamente.

Usando amostras difíceis de obter de tecido cerebral humano, Os neurocientistas do MIT descobriram agora que os dendritos humanos têm propriedades elétricas diferentes daqueles de outras espécies. Seus estudos revelam que os sinais elétricos enfraquecem mais à medida que fluem ao longo dos dendritos humanos., resultando em um maior grau de compartimentação elétrica, o que significa que pequenas seções de dendritos podem se comportar independentemente do resto do neurônio.

Essas diferenças podem contribuir para o aumento do poder computacional do cérebro humano, dizem os pesquisadores.

“Não é só que os humanos são inteligentes porque temos mais neurônios e um córtex maior. De baixo para cima, neurônios se comportam de maneira diferente,”diz Mark Harnett, o Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira Fred e Carole Middleton de Ciências do Cérebro e Cognitivas. “Em neurônios humanos, há mais compartimentação elétrica, e isso permite que essas unidades sejam um pouco mais independentes, potencialmente levando ao aumento das capacidades computacionais de neurônios únicos.”

Harnet, que também é membro do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT, e Sydney Cash, professor assistente de neurologia na Harvard Medical School e no Massachusetts General Hospital, são os autores seniores do estudo, que aparece na outubro. 18 emissão de Célula. O autor principal do artigo é Lou Beaulieu-Laroche, um estudante de pós-graduação no Departamento de Ciências do Cérebro e Cognitivas do MIT.

Computação neural

Os dendritos podem ser considerados análogos aos transistores de um computador, realizando operações simples usando sinais elétricos. Os dendritos recebem informações de muitos outros neurônios e transportam esses sinais para o corpo celular.. Se estimulado o suficiente, um neurônio dispara um potencial de ação – um impulso elétrico que estimula outros neurônios. Grandes redes desses neurônios se comunicam entre si para gerar pensamentos e comportamentos.

A estrutura de um único neurônio muitas vezes se assemelha a uma árvore, com muitas ramificações trazendo informações que chegam longe do corpo celular. Pesquisas anteriores descobriram que a força dos sinais elétricos que chegam ao corpo celular depende, em parte, sobre a distância que eles percorrem ao longo do dendrito para chegar lá. À medida que os sinais se propagam, eles ficam mais fracos, portanto, um sinal que chega longe do corpo celular tem menos impacto do que aquele que chega perto do corpo celular.

Os dendritos no córtex do cérebro humano são muito mais longos do que os dos ratos e da maioria das outras espécies, porque o córtex humano evoluiu para ser muito mais espesso do que o de outras espécies. Em humanos, o córtex constitui cerca de 75 por cento do volume total do cérebro, em comparação com cerca 30 por cento no cérebro do rato.

Embora o córtex humano seja duas a três vezes mais espesso que o dos ratos, mantém a mesma organização geral, consistindo em seis camadas distintas de neurônios. Neurônios da camada 5 têm dendritos longos o suficiente para chegar até a camada 1, o que significa que os dendritos humanos tiveram que se alongar à medida que o cérebro humano evoluiu, e os sinais elétricos precisam viajar muito mais longe.

No novo estudo, a equipe do MIT queria investigar como essas diferenças de comprimento poderiam afetar as propriedades elétricas dos dendritos. Eles foram capazes de comparar a atividade elétrica em dendritos de ratos e humanos, usando pequenos pedaços de tecido cerebral removidos de pacientes com epilepsia submetidos à remoção cirúrgica de parte do lobo temporal. Para alcançar a parte doente do cérebro, os cirurgiões também precisam retirar um pequeno pedaço do lobo temporal anterior.

Com a ajuda dos colaboradores do MGH Cash, Sapo Mateus, Ziv Williams, e Emad Eskandar, O laboratório de Harnett conseguiu obter amostras do lobo temporal anterior, cada um do tamanho de uma unha.

Evidências sugerem que o lobo temporal anterior não é afetado pela epilepsia, e o tecido parece normal quando examinado com técnicas neuropatológicas, Harnett diz. Esta parte do cérebro parece estar envolvida em uma variedade de funções, incluindo linguagem e processamento visual, mas não é crítico para nenhuma função; os pacientes são capazes de funcionar normalmente depois de removido.

Uma vez que o tecido foi removido, os investigadores colocou em uma solução muito similar ao do líquido cefalorraquidiano, com oxigénio que flui através dele. Isto permitiu-lhes manter o tecido vivo para até 48 horas. Durante esse tempo, usaram uma técnica conhecida como patch-clamp para medir a electrofisiologia como sinais eléctricos ao longo de viagem dendritos dos neurónios piramidais, que são o tipo mais comum de neurónios excitatórios no córtex.

Estas experiências foram realizadas essencialmente por Beaulieu-LaRoche. O laboratório de Harnett (e outros) já fizemos esse tipo de experimento em dendritos de roedores, mas sua equipe é a primeira a analisar as propriedades elétricas dos dendritos humanos.

Características únicas

Os pesquisadores descobriram que, como os dendritos humanos cobrem distâncias maiores, um sinal fluindo ao longo de um dendrito humano da camada 1 para o corpo celular na camada 5 é muito mais fraco quando chega do que um sinal fluindo ao longo de um dendrito de rato da camada 1 fazer camadas 5.

Eles também mostraram que dendritos humanos e de ratos têm o mesmo número de canais iônicos, que regulam o fluxo de corrente, mas esses canais ocorrem em uma densidade mais baixa nos dendritos humanos como resultado do alongamento dos dendritos. Eles também desenvolveram um modelo biofísico detalhado que mostra que esta mudança de densidade pode explicar algumas das diferenças na atividade elétrica observada entre dendritos humanos e de ratos., Harnett diz.

Nelson Spruston, diretor sênior de programas científicos do Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, descreveu a análise dos pesquisadores de dendritos humanos como “uma realização notável”.

“Estas são as medições mais cuidadosamente detalhadas até agora das propriedades fisiológicas dos neurônios humanos,”diz Spruston, que não estava envolvido na pesquisa. “Esses tipos de experimentos são muito exigentes tecnicamente, mesmo em camundongos e ratos, então, de uma perspectiva técnica, é incrível que eles tenham feito isso em humanos.”

A questão permanece, como essas diferenças afetam a capacidade intelectual humana? A hipótese de Harnett é que devido a essas diferenças, que permitem que mais regiões de um dendrito influenciem a força de um sinal de entrada, neurônios individuais podem realizar cálculos mais complexos nas informações.

“Se você tem uma coluna cortical que contém um pedaço de córtex humano ou de roedor, você será capaz de realizar mais cálculos mais rapidamente com a arquitetura humana versus a arquitetura de roedores," ele diz.

Existem muitas outras diferenças entre os neurônios humanos e os de outras espécies, Harnett acrescenta, tornando difícil descobrir os efeitos das propriedades elétricas dendríticas. Em estudos futuros, ele espera explorar ainda mais o impacto preciso dessas propriedades elétricas, e como eles interagem com outras características únicas dos neurônios humanos para produzir mais poder computacional.

A pesquisa foi financiada pelo Conselho Nacional de Pesquisa em Ciências e Engenharia do Canadá, o Programa de Subsídios de Neuroimagem David Mahoney da Fundação Dana, e os Institutos Nacionais de Saúde.

Fonte:

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