Нові дослідження показують, що клітини, розташовані в найвіддаленіших шарах людського мозку, генерують особливий вид електричного сигналу, який може надати їм додатковий приріст обчислювальної потужності. Більше того, цей сигнал може бути унікальним для людини - і може пояснити наш унікальний інтелект, на думку авторів дослідження.
Мозкові клітини або нейрони зв’язуються через довгі розгалужувані дроти та повідомлення човника по цих кабелях, щоб спілкуватися між собою. Кожен нейрон має як вихідний провід, званий аксоном, так і провід, який приймає вхідні повідомлення, відомий як дендрит. Дендрит передає інформацію до решти нейрона через сплески електричної активності. Залежно від способу підключення мозку, кожен дендрит може отримувати сотні тисяч сигналів від інших нейронів по його довжині. Хоча вчені вважають, що ці електричні сплески допомагають живити мозок і, можливо, лежать в основі таких здібностей, як навчання та пам'ять, точна роль дендритів у пізнанні людини залишається загадкою.
Тепер дослідники виявили новий аромат електричного спайка у людських дендритах - той, на який вони думають, може дозволити клітинам проводити обчислення, колись вони вважалися занадто складними, щоб один нейрон міг вирішити самостійно. У дослідженні, опублікованому 3 січня в журналі Science, зазначається, що новонаведене електричне властивість ніколи не спостерігалося в будь-якій тканині тварини, окрім людської, що ставить питання про те, чи сигнал однозначно сприяє інтелекту людини, або для приматів, наших еволюційні двоюрідні брати.
Дивний сигнал
До цих пір більшість дендритних досліджень проводилися в тканинах гризунів, які мають основні властивості з клітинами головного мозку людини, заявив співавтор дослідження Меттью Ларкум, професор кафедри біології Університету Гумбольдта в Берліні. Однак людські нейрони вимірюють приблизно вдвічі більше, ніж ті, що виявляються у миші, сказав він.
"Це означає, що електричні сигнали повинні проходити вдвічі більше", - сказав Ларкум Live Science. "Якби не було зміни електричних властивостей, то це означало б, що для людей ті самі синаптичні входи були б трохи менш потужними". Іншими словами, електричні сплески, отримані дендритом, значно послабиться до того часу, коли вони дістаються до клітинного тіла нейрона.
Тож Ларкум та його колеги вирішили розкрити електричні властивості нейронів людини, щоб побачити, як ці довші дендрити насправді вдається ефективно передавати сигнали.
Це було нелегке завдання.
По-перше, дослідникам довелося взяти руки на зразки тканин мозку людини, горезвісно обмежений ресурс. Команда в результаті використовувала нейрони, які були відрізані від мозку пацієнтів з епілепсією та пухлинами в рамках їх медикаментозного лікування. Команда зосередилася на нейронах, резекованих з кори головного мозку, зморшкуватої зовнішності мозку, яка містить кілька чітких шарів. У людях ці шари містять щільні мережі дендритів і зростають надзвичайно товстими, атрибутом, який може бути "основоположним для того, що робить нас людьми", йдеться у заяві Science.
"Ви отримуєте тканини дуже рідко, тому ви просто працювали з тим, що перед вами", - сказав Ларкум. І вам доведеться швидко працювати, додав він. Поза людського організму клітини мозку від голоду киснем залишаються життєздатними лише близько двох днів. Щоб повною мірою скористатися цим обмеженим часовим вікном, Ларкум та його команда збирали вимірювання з даного зразка стільки, скільки могли, іноді працюючи протягом 24 годин прямо.
Під час цих експериментальних марафонів команда рубала мозкову тканину на скибочки і пробивала дірки в дендритах, що містяться всередині. Просуваючи через ці отвори тонкі скляні піпетки, дослідники могли вводити в дендрити іони або заряджені частинки і спостерігати, як вони змінювалися в електричній активності. Як і очікувалося, стимульовані дендрити породжували сплески електричної активності, але ці сигнали виглядали дуже різними, ніж будь-які побачені раніше.
Кожен шип запалювався лише на короткий проміжок часу - близько мілісекунди. У тканинах гризунів цей тип надкороткого сплеску виникає, коли повінь натрію потрапляє в дендрит, спровокований певним накопиченням електричної активності. Кальцій також може викликати сплески дендритів гризунів, але ці сигнали тривають від 50 до 100 разів довше, ніж шипи натрію, сказав Ларкум. Однак команда побачила людські тканини як дивний гібрид.
"Хоча це виглядало як подія натрію, насправді це була подія кальцію", - сказав Ларкум. Члени команди перевірили, що станеться, якщо вони не дозволять натрію потрапляти до зразків дендритів і виявили, що шипи продовжують стріляти незгасаючим. Більше того, надшортові шипи стріляють швидко, одна за одною. Але коли дослідники заблокували потрапляння кальцію в нейрони, шипи припинилися. Вчені зробили висновок, що вони натрапили на абсолютно новий клас шипа, схожий за тривалістю з натрієм, але контрольований кальцієм.
"Вони виглядають інакше, ніж те, що ми досі знали від інших ссавців", - сказав Маянк Мехта, професор кафедри неврології, фізики нейробіології та астрономії Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, який не брав участі в дослідженні. Велике питання полягає в тому, як ці сплески стосуються фактичної функції мозку, сказав він.
Обчислювальні електростанції
Ларкум та його колеги не змогли перевірити, як можуть поводитись нарізані зразки в непошкодженому людському мозку, тому вони створили комп'ютерну модель на основі своїх результатів. У мозку дендрити отримують сигнали по своїй довжині від сусідніх нейронів, які можуть або штовхнути їх, щоб генерувати шип, або заважати їм робити це. Аналогічно, команда розробила цифрові дендрити, які можна стимулювати або гальмувати з тисяч різних точок по їх довжині. Історично показано, що дослідження свідчать, що дендрити з часом збільшують ці протилежні сигнали і вистрілюють шип, коли кількість збуджуючих сигналів перевищує гальмівні.
Але цифрові дендрити взагалі так не поводилися.
"Коли ми придивились уважніше, то побачили, що існує це дивне явище", - сказав Ларкум. Чим більше збуджуючих сигналів отримав дендрит, тим менше ймовірність виникнення шипу. Натомість кожна область у заданому дендриті здавалася «налаштованою» на відповідь на певний рівень стимуляції - ні більше, ні менше.
Але що це означає з точки зору фактичної функції мозку? Це означає, що дендрити можуть обробляти інформацію в кожній точці по всій їх довжині, працюючи як об'єднана мережа, щоб вирішити, яку інформацію надсилати, яку відкинути та яку обробляти поодинці, сказав Ларкум.
"Не схоже, що клітина просто додає речі - це також викидає речі", - сказав Мехта Live Science. (У цьому випадку сигнали "викидання" були би сигналами збудження, які не налаштовані належним чином на "солодке місце" дендритної області.) Ця обчислювальна наддержава могла б дати змогу дендритам взяти на себе функції, які колись вважалися роботою цілих нейронних мереж. ; наприклад, Мехта теоретизує, що окремі дендрити можуть навіть кодувати спогади.
Одного разу неврологи подумали, що цілі мережі нейронів працюють разом, щоб виконати ці складні обчислення, і вирішили як реагувати як група. Тепер, схоже, індивідуальний дендрит робить цей точний тип розрахунку все самостійно.
Можливо, тільки мозок людини володіє цією вражаючою обчислювальною силою, але Ларкум сказав, що говорити про це зарано ще рано. Він та його колеги хочуть розшукати цей таємничий колос кальцію у гризунів, якщо він був не помічений у минулих дослідженнях. Він також сподівається співпрацювати над аналогічними дослідженнями на приматах, щоб побачити, чи електричні властивості дендритів людини подібні до властивих наших еволюційних родичів.
Мехта сказав, що ці колоски дуже імовірно, що люди роблять людей особливими або розумнішими, ніж інші ссавці. Можливо, що новонаведене електричне властивість є унікальним для нейронів L2 / 3 в корі головного мозку людини, оскільки мозок гризунів також створює специфічні шипи в окремих регіонах мозку, додав він.
У минулому дослідженні Мехта встановив, що дендрити гризунів також генерують широкий спектр шипів, точна функція яких залишається невідомою. Що цікаво, це те, що лише частина цих шипів насправді викликає реакцію в тілі клітини, в яку вони вбудовуються, сказав він. У нейронах гризунів приблизно 90 відсотків дендритних спайок не надсилають електричні сигнали з клітинного тіла, що дозволяє припустити, що дендрити як у гризунів, так і у людей можуть обробляти інформацію самостійно способами, які ми ще не розуміємо.
Значна частина нашого розуміння навчання та пам’яті випливає з досліджень електричної активності, що генерується в тілі нейронної клітини та її вихідному кабелі, аксоні. Але ці висновки говорять про те, що "можливо, що більшість шипів у мозку може мати місце в дендритах", - сказав Мехта. "Ці колоски могли змінити правила навчання".
Примітка редактора: Ця історія була оновлена 9 січня, щоб уточнити твердження доктора Маянка Мехти про те, чи може новий знайдений електричний сигнал унікальний для людей.
