Электрические свойства дендритов помогают объяснить уникальную вычислительную мощность нашего мозга, поскольку нейроны в мозге человека и крысы передают электрические сигналы по-разному., ученые находят.

Нейроны человеческого мозга получают электрические сигналы от тысяч других клеток., и длинные нервные отростки, называемые дендритами, играют решающую роль в объединении всей этой информации, чтобы клетки могли реагировать соответствующим образом..

Использование труднодоступных образцов тканей головного мозга человека, Нейробиологи Массачусетского технологического института обнаружили, что электрические свойства дендритов человека отличаются от свойств дендритов других видов.. Их исследования показывают, что электрические сигналы ослабевают больше, когда они проходят по дендритам человека., что приводит к более высокой степени электрической компартментализации, Это означает, что небольшие участки дендритов могут вести себя независимо от остальной части нейрона..

Эти различия могут способствовать повышению вычислительной мощности человеческого мозга., Исследователи говорят,.

«Дело не только в том, что люди умны, потому что у нас больше нейронов и больше кора головного мозга.. снизу вверх, нейроны ведут себя по-разному,— говорит Марк Харнетт., Фред и Кэрол Миддлтон по развитию карьеры, доцент кафедры мозга и когнитивных наук. «В нейронах человека, есть больше электрических отсеков, и это позволяет этим подразделениям быть немного более независимыми, потенциально ведет к увеличению вычислительных возможностей отдельных нейронов».

Харнетт, который также является членом Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте., и Сидней Кэш, доцент кафедры неврологии Гарвардской медицинской школы и Массачусетской больницы общего профиля., являются старшими авторами исследования, который появляется в октябре. 18 вопрос клетка. Ведущий автор статьи — Лу Больё-Ларош., аспирант кафедры мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института.

Нейронные вычисления

Дендриты можно рассматривать как аналог транзисторов в компьютере., выполнение простых операций с помощью электрических сигналов. Дендриты получают информацию от многих других нейронов и передают эти сигналы в тело клетки.. Если стимулировать достаточно, нейрон запускает потенциал действия — электрический импульс, который затем стимулирует другие нейроны. Большие сети этих нейронов взаимодействуют друг с другом, чтобы генерировать мысли и поведение..

Структура отдельного нейрона часто напоминает дерево, с множеством ветвей, несущих информацию, которая поступает далеко от тела клетки. Предыдущие исследования показали, что сила электрических сигналов, поступающих в тело клетки, зависит от, частично, от того, как далеко они проходят по дендриту, чтобы добраться туда. По мере распространения сигналов, они становятся слабее, поэтому сигнал, приходящий далеко от тела клетки, оказывает меньшее влияние, чем сигнал, приходящий вблизи тела клетки..

Дендриты в коре головного мозга человека намного длиннее, чем у крыс и большинства других видов., потому что кора головного мозга человека эволюционировала и стала намного толще, чем у других видов. В людях, кора составляет около 75 процент от общего объема мозга, по сравнению с примерно 30 процент в мозгу крысы.

Хотя кора головного мозга человека в два-три раза толще, чем у крыс, он поддерживает ту же общую организацию, состоит из шести различных слоев нейронов. Нейроны из слоя 5 имеют достаточно длинные дендриты, чтобы дотянуться до слоя 1, Это означает, что человеческие дендриты должны были удлиняться по мере развития человеческого мозга., и электрические сигналы должны путешествовать намного дальше.

В новом исследовании, команда Массачусетского технологического института хотела исследовать, как эти различия в длине могут повлиять на электрические свойства дендритов.. Им удалось сравнить электрическую активность дендритов крысы и человека., с использованием небольших кусочков мозговой ткани, удаленных у больных эпилепсией, перенесших хирургическое удаление части височной доли. Для того, чтобы добраться до больной части мозга, хирурги также должны удалить небольшой кусок передней височной доли..

С помощью сотрудников MGH Cash, Мэтью Фрог, Зив Уильямс, и Эмад Искандер, Лаборатория Харнетта смогла получить образцы передней височной доли., каждая размером с ноготь.

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что передняя височная доля не поражается при эпилепсии., и ткань кажется нормальной при исследовании нейропатологическими методами, Харнетт говорит. Эта часть мозга, по-видимому, участвует в различных функциях., включая язык и визуальную обработку, но не является критичным для какой-либо одной функции; пациенты могут нормально функционировать после его удаления.

После удаления ткани, исследователи поместили его в раствор, очень похожий на спинномозговую жидкость., с кислородом, проходящим через него. Это позволило им сохранить ткани живыми до 48 часов. В течение этого времени, они использовали технику, известную как электрофизиология пэтч-кламп, для измерения того, как электрические сигналы проходят по дендритам пирамидных нейронов., которые являются наиболее распространенным типом возбуждающих нейронов в коре.

Эти эксперименты проводились прежде всего Больё-Ларошем.. лаборатория Харнетта (и другие) ранее уже проводили подобные эксперименты на дендритах грызунов., но его команда первой проанализировала электрические свойства дендритов человека..

Уникальные черты

Исследователи обнаружили, что поскольку человеческие дендриты покрывают большие расстояния., сигнал, идущий по дендриту человека от слоя 1 к телу клетки в слое 5 гораздо слабее, когда он приходит, чем сигнал, идущий по дендриту крысы из слоя 1 наслаивать 5.

Они также показали, что дендриты человека и крысы имеют одинаковое количество ионных каналов., которые регулируют ток, но эти каналы происходит при более низкой плотности в человеческих дендритов в результате удлинения дендритов. Они также разработали подробную биофизической модель, которая показывает, что изменение плотности может объяснить некоторые различия в электрической активности видели между дендритами человека и крысы, Харнетт говорит.

Нельсон Spruston, старший директор научных программ в кампусе Howard Hughes Medical Institute Janelia Research, описанный анализ исследователей человеческих дендритов, как „замечательное достижение.“

«Это самые подробные на сегодняшний день измерения физиологических свойств нейронов человека.,— говорит Спрустон., который не принимал участия в исследовании. «Такого рода эксперименты очень сложны с технической точки зрения., даже у мышей и крыс, так что с технической точки зрения, удивительно, что они сделали это с людьми».

Вопрос остается, как эти различия влияют на возможности человеческого мозга? Гипотеза Харнетта состоит в том, что из-за этих различий, которые позволяют большему количеству областей дендрита влиять на силу входящего сигнала, отдельные нейроны могут выполнять более сложные вычисления с информацией.

«Если у вас есть корковая колонка, в которой есть кусок коры человека или грызуна, вы сможете выполнять больше вычислений быстрее с человеческой архитектурой по сравнению с архитектурой грызунов," он говорит.

Есть много других различий между нейронами человека и других видов., Харнетт добавляет, что затрудняет выявление эффектов электрических свойств дендритов. В будущих исследованиях, он надеется дополнительно изучить точное влияние этих электрических свойств., и как они взаимодействуют с другими уникальными характеристиками нейронов человека для увеличения вычислительной мощности..

Исследование финансировалось Национальным советом по науке и инженерным исследованиям Канады., Программа грантов Дэвида Махони для нейровизуализации Фонда Дана, и Национальный институт здоровья.

Источник:

HTTP://news.mit.edu, Энн Трэфтону