Noile cercetări sugerează că celulele amplasate în straturile exterioare ale creierului uman generează un tip special de semnal electric care le poate oferi un impuls suplimentar al puterii de calcul. Mai mult, acest semnal poate fi unic pentru oameni și poate explica inteligența noastră unică, potrivit autorilor studiului.
Celulele creierului, sau neuronii, se leagă prin fire lungi, ramificate și mesaje de transfer de-a lungul acestor cabluri, pentru a comunica între ele. Fiecare neuron are atât un fir de ieșire, numit axon, cât și un fir care primește mesaje primite, cunoscute sub numele de dendrite. Dandrita transmite informații către restul neuronului prin explozii de activitate electrică. În funcție de modul în care creierul este conectat, fiecare dendrită poate primi sute de mii de semnale de la alți neuroni de-a lungul lungimii sale. În timp ce oamenii de știință cred că aceste vârfuri electrice ajută la conectarea creierului și pot sta la baza abilităților precum învățarea și memoria, rolul exact al dendritelor în cunoașterea umană rămâne un mister.
Acum, cercetătorii au descoperit o nouă aromă de vârf electric în dendritele umane - una cred că ar putea permite celulelor să efectueze calcule odată considerate prea complexe pentru ca un singur neuron să se poată adresa singur. Studiul, publicat în 3 ianuarie în revista Science, notează că noua proprietate electrică nu a fost niciodată observată în niciun țesut animal, altul decât uman, ridicând problema dacă semnalul contribuie în mod unic la inteligența umană sau la primate, veri evolutivi.
Un semnal ciudat
Până acum, cele mai multe studii cu dendrite au fost efectuate în țesutul rozătoare, care are proprietăți de bază cu celulele creierului uman, a declarat co-autorul studiului Matthew Larkum, profesor la departamentul de biologie al Universității Humboldt din Berlin. Cu toate acestea, neuronii umani măsoară aproximativ de două ori mai mult decât cei găsiți la un șoarece, a spus el.
"Asta înseamnă că semnalele electrice trebuie să circule de două ori mai departe", a spus Larkum pentru Live Science. „Dacă nu ar exista nicio schimbare a proprietăților electrice, atunci asta ar însemna că, la om, aceleași intrări sinaptice ar fi destul de puțin puternice.” Cu alte cuvinte, vârfurile electrice primite de o dendrită ar slăbi semnificativ la momentul când au ajuns în corpul celular al neuronului.
Așadar, Larkum și colegii săi și-au propus să descopere proprietățile electrice ale neuronilor umani pentru a vedea cum aceste dendrituri mai lungi reușesc să trimită semnale în mod eficient.
Aceasta nu a fost o sarcină ușoară.
În primul rând, cercetătorii au fost nevoiți să pună mâna pe probe de țesut cerebral uman, o resursă notorie rară. Echipa a sfârșit folosind neuroni care au fost tăiați din creierul pacienților cu epilepsie și tumori ca parte a tratamentului lor medical. Echipa s-a concentrat pe neuronii rezecați din cortexul cerebral, exteriorul ridat al creierului care conține mai multe straturi distincte. La oameni, aceste straturi dețin rețele dense de dendrite și devin extrem de groase, un atribut care poate fi „fundamental pentru ceea ce ne face umani”, potrivit unei declarații a Science.
"Ai foarte rar tesutul, asa ca trebuie sa lucrezi cu ceea ce este in fata ta", a spus Larkum. Și trebuie să muncești repede, a adăugat el. În afara corpului uman, celulele creierului înfometate cu oxigen rămân viabile doar aproximativ două zile. Pentru a profita din plin de această fereastră de timp limitată, Larkum și echipa sa ar strânge măsurători dintr-un eșantion dat atât timp cât au putut, uneori lucrând 24 de ore la rând.
În timpul acestor maratoane experimentale, echipa a tăiat țesutul creierului în felii și a găurit în dendritele conținute în interior. Prin lipirea pipetelor subțiri de sticlă prin aceste găuri, cercetătorii ar putea injecta ioni sau particule încărcate în dendrite și să observe modul în care s-au schimbat în activitatea electrică. Așa cum era de așteptat, dendritele stimulate au generat vârfuri de activitate electrică, dar aceste semnale arătau foarte diferite de cele văzute înainte.
Fiecare vârf a aprins doar o scurtă perioadă de timp - aproximativ o milisecundă. În țesutul rozătoare, acest tip de vârf de supershort are loc atunci când o inundație de sodiu intră într-o dendrite, declanșată de o anumită acumulare de activitate electrică. Calciul poate, de asemenea, să declanșeze vârfuri în dendritele rozătoare, dar aceste semnale tind să dureze de 50 până la 100 de ori mai mult decât vârfurile de sodiu, a spus Larkum. Ceea ce echipa a văzut în țesutul uman, totuși, părea a fi un hibrid ciudat dintre cei doi.
„Deși părea un eveniment de sodiu, a fost de fapt un eveniment de calciu”, a spus Larkum. Membrii echipei au testat ce s-ar întâmpla dacă împiedicau sodiul să intre în dendritele lor de probă și au descoperit că vârfurile continuă să tragă nestabil. Ba mai mult, vârfurile de supershort au tras în succesiune rapidă, unul după altul. Dar când cercetătorii au blocat calciul să intre în neuroni, vârfurile s-au oprit scurt. Oamenii de știință au ajuns la concluzia că s-au confruntat cu o nouă clasă de vârf, una de durată similară cu sodiul, dar controlată de calciu.
„Acestea arată diferit de orice am cunoscut până acum de la alte mamifere”, a declarat Mayank Mehta, profesor în departamentele de neurologie, fizică neurobiologie și astronomie de la Universitatea din California, Los Angeles, care nu a fost implicată în studiu. Marea întrebare este: cum se raportează aceste vârfuri la funcția creierului real, a spus el.
Putere de calcul
Larkum și colegii săi nu au putut testa cum s-ar putea comporta eșantioanele lor într-un creier uman intact, așa că au conceput un model de computer bazat pe rezultatele lor. În creier, dendritele primesc semnale de-a lungul lungimii lor de la neuronii din apropiere, care îi pot împinge să genereze un vârf sau să îi împiedice să facă acest lucru. În mod similar, echipa a proiectat dendrite digitale care pot fi stimulate sau inhibate din mii de puncte diferite de-a lungul lungimilor lor. Istoric, studiile sugerează că dendritele potrivesc aceste semnale opuse de-a lungul timpului și arunca un vârf atunci când numărul de semnale excitatorii le depășește pe cele inhibitoare.
Dar dendritele digitale nu s-au comportat deloc așa.
„Când ne-am uitat îndeaproape, am putut vedea că există acest fenomen ciudat”, a spus Larkum. Cu cât semnalele sunt mai excitante pe care le primește o dendrită, cu atât este mai puțin probabil să genereze un vârf. În schimb, fiecare regiune dintr-o anumită dendrită părea „reglată” pentru a răspunde la un nivel specific de stimulare - nici mai mult, nici mai puțin.
Dar ce înseamnă asta în ceea ce privește funcția creierului real? Înseamnă că dendritele pot prelucra informații la fiecare punct de-a lungul lungimilor lor, funcționând ca o rețea unificată pentru a decide ce informații să trimită, care să se arunce și care să se ocupe singure, a spus Larkum.
"Nu se pare că celula înseamnă doar adăugarea de lucruri - ci și aruncarea lucrurilor", a spus Mehta Live Science. (În acest caz, semnalele de „aruncare” ar fi semnale excitatoare care nu sunt reglate corespunzător la „punctul dulce” al regiunii dendritice.) Această superputere de calcul ar putea permite dendritelor să-și asume funcții odată crezute a fi opera unor rețele neuronale întregi. ; de exemplu, Mehta teoretizează că dendritele individuale ar putea codifica chiar amintirile.
Odată, neurologii au crezut că rețele întregi de neuroni au lucrat împreună pentru a efectua aceste calcule complexe și au decis cum să răspundă ca grup. Acum, se pare că o dendrită individuală face acest tip exact de calcul singur.
S-ar putea ca doar creierul uman să dețină această putere impresionantă de calcul, dar Larkum a spus că este prea devreme pentru a spune sigur. El și colegii săi doresc să caute acest vârf misterios de calciu la rozătoare, în caz că a fost trecut cu vederea în cercetările anterioare. De asemenea, speră să colaboreze la studii similare la primate pentru a vedea dacă proprietățile electrice ale dendritelor umane sunt similare cu cele ale rudelor noastre evolutive.
Este foarte puțin probabil ca aceste vârfuri să facă oamenii speciali sau mai inteligenți decât alte mamifere, a spus Mehta. Este posibil ca noua proprietate electrică să fie unică pentru neuronii L2 / 3 din cortexul cerebral uman, deoarece creierul rozătoare produce, de asemenea, vârfuri specifice în anumite regiuni ale creierului, a adăugat el.
În cercetările anterioare, Mehta a descoperit că dendritele rozătoare generează, de asemenea, o mare varietate de vârfuri a căror funcție exactă rămâne necunoscută. Ceea ce este interesant este faptul că doar o fracțiune din aceste vârfuri declanșează de fapt o reacție în corpul celulelor în care se conectează, a spus el. În neuronii rozătoare, aproximativ 90 la sută dintre vârfurile dendritice nu solicită semnale electrice din corpul celulei, ceea ce sugerează că dendritele atât la rozătoare cât și la oameni ar putea prelucra informații independent, în moduri pe care nu le înțelegem încă.
O mare parte din înțelegerea noastră despre învățare și memorie provine din cercetarea activității electrice generate în corpul celulelor neuronale și a cablului său de ieșire, axonul. Dar aceste descoperiri sugerează că „se poate ca majoritatea vârfurilor din creier să aibă loc în dendrite”, a spus Mehta. „Acești vârfuri ar putea schimba regulile învățării”.
Nota editorului: Această poveste a fost actualizată pe 9 ianuarie pentru a clarifica o declarație a Dr. Mayank Mehta despre dacă noul semnal electric poate fi unic pentru oameni.
