Nove raziskave kažejo, da celice, nameščene v najbolj oddaljenih plasteh človeških možganov, ustvarijo posebno vrsto električnega signala, ki bi jim lahko še dodatno povečal računalniško moč. Še več, ta signal je morda edinstven za ljudi - in lahko pojasni našo edinstveno inteligenco, trdijo avtorji študije.
Možganske celice ali nevroni se po teh kablih povežejo z dolgimi razvejanimi žicami in sporočili o shuttleu, da komunicirajo med seboj. Vsak nevron ima tako odhodno žico, imenovano akson, kot žico, ki sprejema dohodna sporočila, znana kot dendrit. Dendrit prenaša informacije na preostanek nevrona s sunki električne aktivnosti. Glede na to, kako so možgani oživljeni, lahko vsak dendrit sprejema na stotine tisoč signalov iz drugih nevronov po svoji dolžini. Medtem ko znanstveniki verjamejo, da ti električni trni pomagajo napredovati možgane in lahko temeljijo na sposobnostih, kot sta učenje in spomin, natančna vloga dendritov v človekovem spoznavanju ostaja skrivnost.
Zdaj so raziskovalci odkrili nov okus električnega pika v človeških dendritih - takšen, za katerega mislijo, da bi omogočil celicam, da izvedejo izračune, ki so se nekoč zdeli preveč zapleteni, da bi se en sam nevron spopadel sam. Študija, objavljena 3. januarja v reviji Science, ugotavlja, da novonavedene električne lastnosti nikoli ni bilo opaziti v nobenem živalskem tkivu razen človeškega, kar postavlja vprašanje, ali signal edinstveno prispeva k človeški inteligenci ali k primatov, naših evolucijski bratranci.
Čuden signal
Doslej je bilo največ dendritskih raziskav opravljenih na tkivu glodavcev, ki ima osnovne lastnosti človeških možganskih celic, je povedal soavtor študije Matthew Larkum, profesor na oddelku za biologijo na univerzi Humboldt v Berlinu. Vendar človeški nevroni merijo približno dvakrat dlje kot tisti, ki jih najdemo v miški, je dejal.
"To pomeni, da morajo električni signali potovati dvakrat dlje," je Larkum povedal Live Science. "Če ne bi bilo sprememb v električnih lastnostih, bi to pomenilo, da bi bili enaki sinaptični vhodi pri ljudeh precej manj močni." Z drugimi besedami, električni trni, ki jih prejme dendrit, bi znatno oslabili, ko bi dosegli celično telo nevrona.
Tako so se Larkum in njegovi sodelavci odločili razkriti električne lastnosti človeških nevronov, da bi videli, kako tem daljšim dendritom dejansko uspeva učinkovito pošiljati signale.
To ni bila lahka naloga.
Prvič, raziskovalci so se morali naučiti vzorcev človeških možganskih tkiv, ki je zelo majhen vir. Skupina je končala z nevroni, ki so bili odsekani iz možganov epilepsije in tumorskih bolnikov kot del njihovega zdravljenja. Skupina se je osredotočila na nevrone, odsekane iz možganske skorje, nagubane zunanjosti možganov, ki vsebuje več različnih plasti. V ljudeh imajo te plasti gosto mrežo dendritov in postanejo izjemno debele, atribut, ki je lahko "temeljnega pomena za tisto, kar nas dela človeka", navaja izjava Science.
"Tkivo dobite zelo redko, zato se morate samo ukvarjati s tistim, kar je pred vami," je dejal Larkum. In moraš hitro delati, je dodal. Zunaj človeškega telesa možganske celice, ki stradajo s kisikom, ostanejo sposobne samo približno dva dni. Da bi v celoti izkoristili to omejeno časovno obdobje, bi Larkum in njegova ekipa zbrali meritve iz določenega vzorca toliko časa, kolikor bi lahko, včasih delajo tudi po 24 ur.
Med temi eksperimentalnimi maratoni je ekipa možgansko tkivo razrezala na rezine in naluknjala luknje v dendritih, ki jih vsebuje. Skozi te luknje so raziskovalci s pritrjevanjem tankih steklenih pipet lahko v dendrite vbrizgali ione ali nabito delce in opazovali, kako se spreminjajo v električni aktivnosti. Kot je bilo pričakovano, so stimulirani dendriti ustvarili trne električne aktivnosti, vendar so bili ti signali zelo drugačni od vseh, ki smo jih videli prej.
Vsaka konica se je vžgala le za kratek čas - približno milisekundo. V tkivu glodavcev se ta vrsta superhortnega trna pojavi, ko poplava natrija vstopi v dendrit, ki jo sproži posebno kopičenje električne aktivnosti. Kalcij lahko sproži tudi trne v dendritih glodavcev, vendar ti signali ponavadi trajajo od 50 do 100 krat dlje kot natrijevi trni, je dejal Larkum. To, kar je ekipa videla v človeškem tkivu, se je zdelo čudno hibrid tega.
"Čeprav je izgledal kot dogodek, je bil v resnici kalcijev dogodek," je dejal Larkum. Člani skupine so preizkusili, kaj bi se zgodilo, če bi preprečili, da bi natrij vstopil v vzorčne dendrite in ugotovili, da trni še naprej ne streljajo. Še več, superhortni trni so se sprožili hitro, eden za drugim. Ko pa so raziskovalci preprečili vnos kalcija v nevrone, so se trni ustavili. Znanstveniki so zaključili, da so se spotaknili pri povsem novem razredu trna, ki je po dolžini podoben natrijumu, a ga nadzira kalcij.
"Ti so videti drugače kot vse, kar smo doslej poznali od drugih sesalcev," je dejal Mayank Mehta, profesor na oddelkih za nevrologijo, nevrobiološko fiziko in astronomijo na kalifornijski univerzi v Los Angelesu, ki ni bil vključen v raziskavo. Veliko vprašanje je, kako se ti trni nanašajo na dejansko delovanje možganov, je dejal.
Računalniške elektrarne
Larkum in njegovi sodelavci niso mogli preizkusiti, kako se lahko njihovi narezani vzorci obnašajo v nedotaknjenih človeških možganih, zato so na podlagi svojih rezultatov izdelali računalniški model. V možganih dendriti prejemajo signale po svoji dolžini od bližnjih nevronov, ki jih lahko bodisi potisnejo, da ustvarijo konico, ali pa jim preprečijo, da to storijo. Podobno je ekipa zasnovala digitalne dendrite, ki jih je mogoče stimulirati ali zavirati na tisoče različnih točk po njihovi dolžini. V preteklosti študije kažejo, da dendriti sčasoma povečajo te nasprotne signale in sprožijo konico, ko število vzbujevalnih signalov preseže zaviralne.
Toda digitalni dendriti se sploh niso tako obnašali.
"Ko smo natančno pogledali, smo lahko videli, da obstaja ta čuden pojav," je dejal Larkum. Bolj kot vzbujajoči signali prejemajo dendrit, manjša je verjetnost, da ustvari konico. Namesto tega se je vsaka regija v danem dendritu zdela "uglašena", da bi se odzvala na določeno stopnjo stimulacije - ne več, ne manj.
Toda kaj to pomeni glede na dejansko delovanje možganov? To pomeni, da lahko dendriti obdelujejo informacije v vsaki točki na svoji dolžini in delujejo kot enotno omrežje, da bi se odločili, katere informacije poslati, katere zavreči in katere obdelovati sami, je dejal Larkum.
"Ne izgleda, da celica samo sestavlja stvari - stvari tudi odvrže," je Mehta povedal Live Science. (V tem primeru bi bili "vrgli" signali vznemirljivi signali, ki niso pravilno nastavljeni na "sladko mesto" dendritične regije. "Ta računalniška velesila bi lahko dendritom omogočila, da prevzamejo funkcije, za katere se nekoč misli, da so delo celotnih nevronskih mrež ; na primer, Mehta teoretizira, da lahko posamezni dendriti celo kodirajo spomine.
Nekoč so nevroznanstveniki menili, da so celotne mreže nevronov sodelovale pri izvajanju teh zapletenih izračunov in se odločile, kako odgovoriti kot skupina. Zdaj se zdi, kot da posamezni dendrit točno vrsto izračuna naredi sam.
Mogoče imajo samo človeški možgani to impresivno računsko moč, toda Larkum je dejal, da je še prezgodaj, da bi lahko to zagotovo rekli. S svojimi sodelavci želi iskati to skrivnostno konico kalcija pri glodalcih, če bi jo v preteklih raziskavah spregledali. Upa tudi, da bo sodeloval pri podobnih študijah pri primatih, da bi videl, ali so električne lastnosti človeških dendritov podobne našim evolucijskim sorodnikom.
Mehta je dejal, da je zaradi teh konic človek poseben ali inteligentnejši od drugih sesalcev. Mogoče je, da je novonavedena električna lastnost edinstvena za L2 / 3 nevrone v možganski skorji človeka, saj možgani glodavcev proizvajajo tudi specifične trne v določenih predelih možganov, je dodal.
V preteklih raziskavah je Mehta ugotovil, da dendriti glodalcev ustvarjajo tudi najrazličnejše trne, katerih natančna funkcija ostaja neznana. Zanimivo je, da le del teh konic dejansko sproži reakcijo v telesu celice, v katero se vtaknejo, je dejal. V nevronih glodavcev približno 90 odstotkov dendritičnih konic ne sproži električnih signalov iz celičnega telesa, kar kaže na to, da lahko dendriti tako pri glodalcih kot pri ljudeh obdelajo informacije neodvisno, na načine, ki jih še ne razumemo.
Velik del našega razumevanja učenja in spomina izhaja iz raziskav električne aktivnosti, ki nastane v telesu nevronskih celic in njegovega izhodnega kabla, aksona. Toda te ugotovitve kažejo, da "utegne biti večina možganov v možganih pri dendritih," je dejal Mehta. "Ti trni bi lahko spremenili pravila učenja."
Opomba urednika: Ta zgodba je bila posodobljena 9. januarja, da bi razjasnila izjavo dr. Mayanka Mehte o tem, ali je mogoče najti nov električni signal edinstven za ljudi.
