คุณสมบัติทางไฟฟ้าของเดนไดรต์ช่วยอธิบายพลังการประมวลผลเฉพาะของสมอง เนื่องจากเซลล์ประสาทในสมองของมนุษย์และหนูนำสัญญาณไฟฟ้าในรูปแบบต่างๆ, นักวิทยาศาสตร์พบว่า.
เซลล์ประสาทในสมองของมนุษย์รับสัญญาณไฟฟ้าจากเซลล์อื่นๆ นับพันเซลล์, และส่วนต่อขยายของระบบประสาทที่ยาวเรียกว่าเดนไดรต์มีบทบาทสำคัญในการรวมข้อมูลทั้งหมดเพื่อให้เซลล์สามารถตอบสนองได้อย่างเหมาะสม.
การใช้ตัวอย่างเนื้อเยื่อสมองของมนุษย์ที่หาได้ยาก, นักประสาทวิทยาของ MIT ได้ค้นพบว่าเดนไดรต์ของมนุษย์มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างจากเดนไดรต์ชนิดอื่น. การศึกษาของพวกเขาเผยให้เห็นว่าสัญญาณไฟฟ้าอ่อนลงมากขึ้นเมื่อไหลไปตามเดนไดรต์ของมนุษย์, ส่งผลให้มีการแบ่งส่วนทางไฟฟ้าในระดับที่สูงขึ้น, หมายความว่าส่วนเล็กๆ ของเดนไดรต์สามารถทำงานได้อย่างอิสระจากส่วนอื่นๆ ของเซลล์ประสาท.
ความแตกต่างเหล่านี้อาจส่งผลให้พลังการประมวลผลของสมองมนุษย์เพิ่มขึ้น, นักวิจัยกล่าวว่า.
“ไม่ใช่แค่ว่ามนุษย์ฉลาดเพราะเรามีเซลล์ประสาทและเยื่อหุ้มสมองที่ใหญ่กว่า. จากล่างขึ้นบน, เซลล์ประสาทมีพฤติกรรมแตกต่างออกไป,” มาร์ค ฮาร์เน็ตต์ กล่าว, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านการพัฒนาอาชีพ Fred และ Carole Middleton สาขาวิทยาศาสตร์สมองและความรู้ความเข้าใจ. “ในเซลล์ประสาทของมนุษย์, มีการแบ่งส่วนทางไฟฟ้ามากขึ้น, และนั่นทำให้หน่วยเหล่านี้มีความเป็นอิสระมากขึ้นอีกหน่อย, อาจนำไปสู่ความสามารถในการคำนวณที่เพิ่มขึ้นของเซลล์ประสาทเดี่ยว”
ฮาร์เน็ตต์, ซึ่งเป็นสมาชิกของสถาบัน McGovern เพื่อการวิจัยสมองของ MIT, และซิดนีย์แคช, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านประสาทวิทยาที่ Harvard Medical School และ Massachusetts General Hospital, เป็นผู้เขียนอาวุโสของการศึกษานี้, ซึ่งปรากฏในเดือนตุลาคม. 18 ปัญหาของ เซลล์. ผู้เขียนหลักของบทความนี้คือ Lou Beaulieu-Laroche, นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจากภาควิชาสมองและวิทยาศาสตร์ความรู้ความเข้าใจของ MIT.
การคำนวณทางประสาท
เดนไดรต์อาจเทียบได้กับทรานซิสเตอร์ในคอมพิวเตอร์, ดำเนินการอย่างง่าย ๆ โดยใช้สัญญาณไฟฟ้า. เดนไดรต์รับข้อมูลจากเซลล์ประสาทอื่นๆ และส่งสัญญาณเหล่านั้นไปยังร่างกายของเซลล์. หากได้รับการกระตุ้นเพียงพอ, เซลล์ประสาทจะปล่อยศักยะงานออกมา — แรงกระตุ้นทางไฟฟ้าที่จะไปกระตุ้นเซลล์ประสาทอื่นๆ. เครือข่ายขนาดใหญ่ของเซลล์ประสาทเหล่านี้สื่อสารกันเพื่อสร้างความคิดและพฤติกรรม.
โครงสร้างของเซลล์ประสาทเดี่ยวมักมีลักษณะคล้ายต้นไม้, โดยหลายสาขานำข้อมูลที่มาไกลจากตัวเซลล์. การวิจัยก่อนหน้านี้พบว่าความแรงของสัญญาณไฟฟ้าที่มาถึงตัวเซลล์ขึ้นอยู่กับความแรงของสัญญาณไฟฟ้าที่มาถึงตัวเซลล์, ในส่วนของ, ว่าพวกเขาเดินทางไกลแค่ไหนไปตามเดนไดรต์เพื่อไปถึงที่นั่น. ขณะที่สัญญาณแพร่กระจาย, พวกเขาอ่อนแอลง, ดังนั้นสัญญาณที่เข้ามาไกลจากตัวเซลล์จึงมีผลกระทบน้อยกว่าสัญญาณที่เข้ามาใกล้ตัวเซลล์.
เดนไดรต์ในเปลือกสมองของมนุษย์นั้นยาวกว่าในหนูและสายพันธุ์อื่นๆ มาก, เพราะเปลือกสมองของมนุษย์มีการพัฒนาให้มีความหนามากกว่าเปลือกสมองชนิดอื่นมาก. ในมนุษย์, เยื่อหุ้มสมองประกอบขึ้นเป็น 75 เปอร์เซ็นต์ของปริมาตรสมองทั้งหมด, เทียบกับประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ในสมองหนู.
แม้ว่าเยื่อหุ้มสมองของมนุษย์จะหนากว่าหนูสองถึงสามเท่าก็ตาม, มันยังคงรักษาองค์กรโดยรวมไว้เหมือนเดิม, ประกอบด้วยเซลล์ประสาทที่แตกต่างกันหกชั้น. นิวรอนจากเลเยอร์ 5 มีเดนไดรต์ยาวพอที่จะไปถึงชั้นได้ 1, หมายความว่าเดนไดรต์ของมนุษย์จะต้องยืดออกเมื่อสมองของมนุษย์พัฒนาขึ้น, และสัญญาณไฟฟ้าก็ต้องเดินทางไกลขนาดนั้น.
ในการศึกษาครั้งใหม่, ทีมงาน MIT ต้องการตรวจสอบว่าความแตกต่างของความยาวเหล่านี้อาจส่งผลต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเดนไดรต์อย่างไร. พวกเขาสามารถเปรียบเทียบกิจกรรมทางไฟฟ้าในหนูและเดนไดรต์ของมนุษย์ได้, โดยใช้เนื้อเยื่อสมองชิ้นเล็กๆ ที่นำออกจากผู้ป่วยโรคลมบ้าหมู โดยทำการผ่าตัดเอาส่วนหนึ่งของสมองกลีบขมับออก. เพื่อเข้าถึงส่วนที่เป็นโรคของสมอง, ศัลยแพทย์ยังต้องนำกลีบขมับส่วนหน้าออกมาด้วย.
ด้วยความช่วยเหลือจาก Cash ผู้ร่วมมือของ MGH, แมทธิว กบ, ซิฟ วิลเลียมส์, และเอมัด เอสกันดาร์, ห้องทดลองของ Harnett สามารถเก็บตัวอย่างกลีบขมับส่วนหน้าได้, แต่ละอันมีขนาดประมาณเล็บมือ.
หลักฐานแสดงให้เห็นว่ากลีบขมับส่วนหน้าไม่ได้รับผลกระทบจากโรคลมบ้าหมู, และเนื้อเยื่อจะดูเป็นปกติเมื่อตรวจด้วยเทคนิคทางประสาทพยาธิวิทยา, ฮาร์เน็ตต์พูดว่า. สมองส่วนนี้ดูเหมือนจะเกี่ยวข้องกับการทำงานหลายอย่าง, รวมถึงการประมวลผลภาษาและภาพ, แต่ไม่สำคัญต่อฟังก์ชันใดฟังก์ชันหนึ่ง; คนไข้สามารถทำงานได้ตามปกติหลังจากถอดออกแล้ว.
เมื่อเอาทิชชู่ออกแล้ว, นักวิจัยวางไว้ในสารละลายที่คล้ายคลึงกับน้ำไขสันหลังมาก, โดยมีออกซิเจนไหลผ่าน. สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสามารถรักษาเนื้อเยื่อให้คงอยู่ได้นานถึง 48 ชั่วโมง. ระหว่างเวลานั้น, พวกเขาใช้เทคนิคที่เรียกว่า patch-clamp electrophysiology เพื่อวัดว่าสัญญาณไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปตามเดนไดรต์ของเซลล์ประสาทเสี้ยมอย่างไร, ซึ่งเป็นเซลล์ประสาทชนิดกระตุ้นที่พบบ่อยที่สุดในเยื่อหุ้มสมอง.
การทดลองเหล่านี้ดำเนินการโดย Beaulieu-Laroche เป็นหลัก. ห้องทดลองของ Harnett (และสิ่งที่คุณมีคือความคิด) เคยทำการทดลองลักษณะนี้กับเดนไดรต์ของสัตว์ฟันแทะมาก่อน, แต่ทีมของเขาเป็นคนแรกที่วิเคราะห์คุณสมบัติทางไฟฟ้าของเดนไดรต์ของมนุษย์.
คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์
นักวิจัยพบว่าเนื่องจากเดนไดรต์ของมนุษย์ครอบคลุมระยะทางที่ไกลกว่า, สัญญาณที่ไหลไปตามเดนไดรต์ของมนุษย์จากชั้นต่างๆ 1 ไปยังตัวเซลล์เป็นชั้นๆ 5 เมื่อมาถึงจะอ่อนกว่าสัญญาณที่ไหลไปตามเดนไดรต์ของหนูจากเลเยอร์มาก 1 เพื่อเลเยอร์ 5.
พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าเดนไดรต์ของมนุษย์และหนูมีจำนวนช่องไอออนเท่ากัน, ซึ่งควบคุมการไหลของกระแส, แต่ช่องเหล่านี้เกิดขึ้นที่ความหนาแน่นต่ำกว่าในเดนไดรต์ของมนุษย์อันเป็นผลมาจากการยืดตัวของเดนไดรต์. พวกเขายังได้พัฒนาแบบจำลองทางชีวฟิสิกส์โดยละเอียดซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นนี้สามารถอธิบายความแตกต่างบางประการในกิจกรรมทางไฟฟ้าที่เห็นระหว่างเดนไดรต์ของมนุษย์และหนู, ฮาร์เน็ตต์พูดว่า.
เนลสัน สปรูสตัน, ผู้อำนวยการอาวุโสฝ่ายโปรแกรมวิทยาศาสตร์ที่ Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, กล่าวถึงการวิเคราะห์เดนไดรต์ของมนุษย์ของนักวิจัยว่าเป็น “ความสำเร็จอันน่าทึ่ง”
“การวัดเหล่านี้เป็นการวัดรายละเอียดคุณสมบัติทางสรีรวิทยาของเซลล์ประสาทของมนุษย์อย่างละเอียดถี่ถ้วนที่สุดจนถึงปัจจุบัน,สปรัสตันกล่าว, ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการวิจัย. “การทดลองประเภทนี้มีความต้องการทางเทคนิคสูง, แม้แต่ในหนูและหนูแรท, จากมุมมองทางเทคนิค, มันน่าทึ่งมากที่พวกเขาทำสิ่งนี้กับมนุษย์”
คำถามยังคงอยู่, ความแตกต่างเหล่านี้ส่งผลต่อพลังสมองของมนุษย์อย่างไร? สมมติฐานของ Harnett ก็คือเพราะความแตกต่างเหล่านี้, ซึ่งช่วยให้บริเวณเดนไดรต์มีอิทธิพลต่อความแรงของสัญญาณที่เข้ามาได้มากขึ้น, เซลล์ประสาทแต่ละตัวสามารถทำการคำนวณข้อมูลที่ซับซ้อนมากขึ้นได้.
“หากคุณมีเยื่อหุ้มสมองที่มีส่วนของมนุษย์หรือสัตว์ฟันแทะ, คุณจะสามารถคำนวณได้เร็วขึ้นด้วยสถาปัตยกรรมของมนุษย์เทียบกับสถาปัตยกรรมของสัตว์ฟันแทะ," เขาพูดว่า.
มีความแตกต่างอื่นๆ อีกมากมายระหว่างเซลล์ประสาทของมนุษย์กับเซลล์ประสาทของสายพันธุ์อื่นๆ, ฮาร์เน็ตต์กล่าวเสริม, ทำให้ยากต่อการหยอกล้อผลกระทบของคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเดนไดรต์. ในการศึกษาในอนาคต, เขาหวังที่จะสำรวจผลกระทบที่แม่นยำของคุณสมบัติทางไฟฟ้าเหล่านี้เพิ่มเติม, และวิธีที่พวกมันโต้ตอบกับคุณสมบัติพิเศษอื่น ๆ ของเซลล์ประสาทของมนุษย์เพื่อสร้างพลังการประมวลผลมากขึ้น.
การวิจัยได้รับทุนจากสภาวิจัยวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมแห่งชาติของแคนาดา, โครงการมอบทุนสนับสนุนการถ่ายภาพประสาทของมูลนิธิ Dana David Mahoney, และสถาบันสุขภาพแห่งชาติ.
แหล่งที่มา:
http://news.mit.edu, “เรารู้สึกตื่นเต้นมากเกี่ยวกับศักยภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในกระเพาะอาหารเพื่อใช้เป็นแพลตฟอร์มสำหรับสุขภาพเคลื่อนที่เพื่อช่วยเหลือผู้ป่วยจากระยะไกล
ทิ้งคำตอบไว้
คุณต้อง เข้าสู่ระบบ หรือ ลงทะเบียน เพื่อเพิ่มความคิดเห็นใหม่ .