Buňky zasazené do nejvzdálenějších vrstev lidského mozku vytvářejí zvláštní druh elektrického signálu, který by jim mohl poskytnout další zvýšení výpočetní síly, uvádí nový výzkum. Navíc může být tento signál pro člověka jedinečný - a podle autorů studie může vysvětlit naši jedinečnou inteligenci.
Mozkové buňky nebo neurony se propojují dlouhými rozvětvenými dráty a kyvadlovými zprávami podél těchto kabelů, aby spolu komunikovaly. Každý neuron má odchozí drát, nazývaný axon, a drát, který přijímá příchozí zprávy, známý jako dendrit. Dendrit předává informace zbytku neuronu prostřednictvím výbuchu elektrické aktivity. V závislosti na tom, jak je mozek zapojen, může každý dendrit přijímat stovky tisíc signálů od ostatních neuronů po své délce. Zatímco vědci věří, že tyto elektrické hroty pomáhají drátu mozku a mohou být základem schopností, jako je učení a paměť, přesná role dendritů v lidském poznání zůstává záhadou.
Nyní vědci objevili novou příchuť elektrického hrotu v lidských dendritech - ten, o kterém si myslí, že by mohl umožnit buňkám provádět výpočty, jakmile je to považováno za příliš složité na to, aby se jediný neuron mohl sám vypořádat. Studie, publikovaná 3. ledna v časopise Science, uvádí, že nově nalezená elektrická vlastnost nebyla nikdy pozorována v žádné jiné zvířecí tkáni než lidské, což vyvolává otázku, zda signál jedinečně přispívá k lidské inteligenci, nebo k tomu u primátů, našich evoluční bratranci.
Zvláštní signál
Až dosud byla většina dendritových studií prováděna na hlodavčích tkáních, které sdílejí základní vlastnosti s lidskými mozkovými buňkami, uvedl spoluautor studie Matthew Larkum, profesor na katedře biologie na Humboldtově univerzitě v Berlíně. Lidské neurony však měří asi dvakrát tak dlouho, jako ty, které se nacházejí u myši, řekl.
„To znamená, že elektrické signály musí cestovat dvakrát tak daleko,“ řekl Larkum Live Science. "Pokud by nedošlo k žádné změně elektrických vlastností, znamenalo by to, že u lidí by stejné synaptické vstupy byly o něco méně výkonné." Jinými slovy, elektrické hroty přijaté dendritem by se výrazně oslabily v době, kdy dosáhnou buněčného těla neuronu.
Larkum a jeho kolegové se tedy rozhodli odhalit elektrické vlastnosti lidských neuronů, aby zjistili, jak se těmto delším dendritům skutečně daří efektivně vysílat signály.
Nebyl to snadný úkol.
Nejprve museli vědci dostat ruce na vzorky lidské mozkové tkáně, což je notoricky známý zdroj. Tým nakonec použil neurony, které byly nakrájeny na mozek pacientů s epilepsií a nádorů, jako součást jejich lékařské léčby. Tým se zaměřil na neurony resekované z mozkové kůry, zvrásněnou část mozku, která obsahuje několik odlišných vrstev. U lidí tyto vrstvy drží husté sítě dendritů a rostou tak, že jsou extrémně silné, což je atribut, který může být „zásadní pro to, co z nás dělá člověka“, podle prohlášení Science.
„Tkáň dostaneš velmi zřídka, takže musíš pracovat s tím, co je před tebou,“ řekl Larkum. A musíte pracovat rychle, dodal. Mimo lidské tělo zůstávají mozkové buňky s nedostatkem kyslíku životaschopné pouze asi dva dny. Aby plně využil tohoto omezeného časového okna, Larkum a jeho tým shromáždili měření z daného vzorku tak dlouho, jak jen mohli, někdy pracovat 24 hodin rovně.
Během těchto experimentálních maratonů nasekal tým mozkovou tkáň na plátky a strčil do dendritů uvnitř. Vlečením tenkých skleněných pipet skrz tyto otvory mohli vědci vstříknout ionty nebo nabité částice do dendritů a pozorovat, jak se změnili v elektrické aktivitě. Jak se očekávalo, stimulované dendrity generovaly hroty elektrické aktivity, ale tyto signály vypadaly velmi odlišně od všech dříve pozorovaných.
Každý bodec se zapálil jen na krátkou dobu - asi milisekundu. V hlodavčích tkáních se tento typ supersortortního hrotu vyskytuje, když záplava sodíku vstoupí do dendritu, vyvolaná zvláštní akumulací elektrické aktivity. Vápník může také vyvolat hroty u dendritů hlodavců, ale tyto signály mají tendenci trvat 50 až 100krát déle než hroty sodíku, řekl Larkum. To, co tým viděl v lidské tkáni, se však zdálo být podivným křížením těchto dvou.
"Ačkoli to vypadalo jako sodíková událost, byla to vlastně událost s vápníkem," řekl Larkum. Členové týmu testovali, co by se stalo, kdyby zabránili sodíku vniknout do jejich dendritů vzorků a zjistili, že hroty pokračovaly v ohni beze změny. A co víc, hroty supershortů vystřelily v rychlém sledu, jeden za druhým. Ale když vědci zablokovali vápník ve vstupu do neuronů, hroty se krátce zastavily. Vědci dospěli k závěru, že narazili na zbrusu novou třídu hrotů, která byla svou délkou podobná sodíku, ale byla kontrolována vápníkem.
"Vypadají jinak, než co jsme dosud věděli od jiných savců," řekl Mayank Mehta, profesor v oddělení neurologie, neurobiologie a astronomie na kalifornské univerzitě v Los Angeles, který se studie nezúčastnil. Velkou otázkou je, jak tyto hroty souvisí se skutečnou funkcí mozku, řekl.
Výpočetní elektrárny
Larkum a jeho kolegové nemohli otestovat, jak se jejich krájené vzorky mohou chovat v neporušeném lidském mozku, a tak na základě svých výsledků vytvořili počítačový model. V mozku dostávají dendrity po své délce signály od blízkých neuronů, které je mohou buď tlačit, aby vytvořily bodec, nebo jim v tom bránit. Podobně tým navrhl digitální dendrity, které lze stimulovat nebo inhibovat z tisíců různých bodů po jejich délce. Historicky studie naznačují, že dendrity časem sčítají tyto protichůdné signály a vypálí bodec, když počet excitačních signálů převyšuje inhibiční signály.
Digitální dendritové se však tímto způsobem vůbec nechovali.
„Když jsme se pozorně podívali, viděli jsme, že existuje tento podivný jev,“ řekl Larkum. Čím více excitačních signálů dendrit obdržel, tím menší byla pravděpodobnost, že bude generovat hrot. Místo toho se zdálo, že každá oblast v daném dendritu „ladí“, aby reagovala na konkrétní úroveň stimulace - nic víc, nic méně.
Co to ale znamená ve smyslu skutečné funkce mozku? To znamená, že dendriti mohou zpracovávat informace v každém bodě po jejich délce a pracovat jako sjednocená síť, aby se rozhodli, které informace mají poslat, které zlikvidovat a které zpracovat samostatně, řekl Larkum.
„Nevypadá to, že by buňka jen přidávala věci - také to zahodí,“ řekl Mehta Live Science. (V tomto případě by „odhazovací“ signály byly excitační signály, které nejsou správně naladěny na „sladké místo“ dendritické oblasti.) Tato výpočetní supervelmoc by mohla umožnit dendritům převzít funkce, jakmile se považuje za práci celých neuronových sítí. ; například, Mehta teoretizuje, že jednotlivé dendrity mohou dokonce kódovat vzpomínky.
Neurovědci si jednou mysleli, že celé sítě neuronů spolupracují na provedení těchto složitých výpočtů a rozhodli se, jak reagovat jako skupina. Nyní se zdá, že individuální dendrit provádí tento přesný typ výpočtu úplně sám.
Je možné, že tuto působivou výpočetní sílu má jen lidský mozek, ale Larkum řekl, že je příliš brzy na to říct. On a jeho kolegové chtějí hledat tento záhadný vápníkový bod u hlodavců, pro případ, že byl v minulém výzkumu přehlížen. Doufá také, že bude spolupracovat na podobných studiích na primátech, aby zjistil, zda jsou elektrické vlastnosti lidských dendritů podobné těm, které mají naši evoluční příbuzní.
Je velmi nepravděpodobné, že tyto hroty způsobují, že lidé jsou zvláštní nebo inteligentnější než ostatní savci, řekl Mehta. Je možné, že nově nalezená elektrická vlastnost je jedinečná pro neurony L2 / 3 v lidské mozkové kůře, protože mozek hlodavců také produkuje specifické hroty v konkrétních oblastech mozku, dodal.
V minulém výzkumu Mehta zjistil, že hlodavce dendritů také generují širokou škálu hrotů, jejichž přesná funkce zůstává neznámá. Zajímavé je, že pouze zlomek těchto hrotů ve skutečnosti vyvolává reakci v těle buňky, do které se zapojují, řekl. V neuronech hlodavců zhruba 90 procent dendritických hrotů nevyvolává elektrické signály z buněčného těla, což naznačuje, že dendrity u hlodavců i lidí mohou zpracovávat informace nezávisle, způsoby, kterým dosud nerozumíme.
Hodně z našeho chápání učení a paměti pramení z výzkumu elektrické aktivity generované v těle neuronové buňky a jejího výstupního kabelu, axonu. Tato zjištění však naznačují, že „je možné, že většina hrotů v mozku se může odehrávat v dendritech,“ řekl Mehta. "Tyto hroty mohly změnit pravidla učení."
Poznámka editora: Tento příběh byl aktualizován 9. ledna, aby objasnil prohlášení Dr. Mayanka Mehty o tom, zda nově nalezený elektrický signál může být pro člověka jedinečný.
