Новите изследвания показват, че клетките, разположени в най-външните слоеве на човешкия мозък, генерират специален вид електрически сигнал, който може да им даде допълнителен тласък на изчислителната мощност. Нещо повече, този сигнал може да е уникален за хората - и може да обясни нашата уникална интелигентност, според авторите на изследването.
Мозъчните клетки или невроните се свързват чрез дълги разклонени проводници и съобщения за совалки по тези кабели, за да комуникират помежду си. Всеки неврон има както изходящ проводник, наречен аксон, така и жица, която получава входящи съобщения, известни като дендрит. Дендритът предава информация на останалата част от неврона чрез изблици на електрическа активност. В зависимост от това как мозъкът е свързан, всеки дендрит може да получава стотици хиляди сигнали от други неврони по цялата му дължина. Макар учените да смятат, че тези електрически шипове помагат да се захранва мозъкът и могат да са в основата на способности като учене и памет, точната роля на дендритите в човешкото познание остава загадка.
Сега, изследователите са открили нов аромат на електрически шип в човешки дендрити - един, който те смятат, че може да позволи на клетките да извършват изчисления, някога смятани за твърде сложни, за да може един неврон да се справи сам. Изследването, публикувано на 3 януари в списание Science, отбелязва, че новооткритото електрическо свойство никога не е било наблюдавано в никаква животинска тъкан, различна от човешката, повдигайки въпроса дали сигналът уникално допринася за човешкия разум или за този на приматите еволюционни братовчеди.
Странен сигнал
Досега повечето дендритни изследвания са проведени в тъкани на гризачи, които споделят основни свойства с човешките мозъчни клетки, каза съавторът на изследването Матю Ларкум, професор в катедрата по биология в университета Хумболт в Берлин. Въпреки това, човешките неврони измерват около два пъти по-дълго от тези, открити в мишка, каза той.
"Това означава, че електрическите сигнали трябва да пътуват два пъти по-далеч", каза Ларкум пред Live Science. "Ако нямаше промяна в електрическите свойства, тогава това би означавало, че при хората същите синаптични входове биха били доста по-малко мощни." С други думи, електрическите шипове, получени от дендрит, биха отслабили значително с времето, когато достигнат до клетъчното тяло на неврона.
Така Larkum и неговите колеги се заеха да разкрият електрическите свойства на човешките неврони, за да видят как тези по-дълги дендрити всъщност успяват да изпращат сигнали ефективно.
Това не беше лесна задача.
Първо, изследователите трябваше да се запознаят с проби от човешка мозъчна тъкан - прословуто ограничен ресурс. Екипът в крайна сметка използва неврони, които бяха отрязани от мозъка на пациенти с епилепсия и тумори като част от тяхното медицинско лечение. Екипът се съсредоточи върху невроните, резецирани от мозъчната кора, набръчканата външност на мозъка, която съдържа няколко отделни слоя. При хората тези слоеве притежават плътни мрежи от дендрити и стават изключително дебели, атрибут, който може да е "основен за това, което ни прави хора", се казва в изявление на Science.
"Получавате тъканта много рядко, така че просто трябва да работите с това, което е пред вас", каза Ларкум. И трябва да работиш бързо, добави той. Извън човешкото тяло мозъчните клетки с глад на кислород остават жизнеспособни само за около два дни. За да се възползват максимално от този ограничен времеви прозорец, Larkum и неговият екип ще събират измервания от дадена проба толкова дълго, колкото могат, понякога работят за 24 часа направо.
По време на тези експериментални маратони екипът нарязва мозъчната тъкан на филийки и пробива дупки в дендритите, съдържащи се вътре. Чрез залепване на тънки стъклени пипети през тези дупки изследователите могат да инжектират йони или заредени частици в дендритите и да наблюдават как те се променят в електрическата активност. Както се очаква, стимулираните дендрити генерират шипове на електрическа активност, но тези сигнали изглеждаха много по-различни от всички, които се виждаха преди.
Всеки шип се запалва само за кратък период от време - около милисекунда. В тъканите на гризачите този вид свръхкорост шип се появява, когато потоп натрий навлезе в дендрит, предизвикан от специфично натрупване на електрическа активност. Калцият също може да предизвика шипове в дендритите на гризачите, но тези сигнали са склонни да продължат 50 до 100 пъти по-дълго от натриевите шипове, каза Larkum. Това, което екипът видя в човешката тъкан, обаче изглеждаше странен хибрид от двете.
„Макар да изглеждаше като събитие с натрий, всъщност това беше събитие с калций“, каза Ларкум. Членовете на екипа тествали какво би се случило, ако не попречат на натрия да влезе в пробните си дендрити и установили, че шиповете продължават да стрелят непрекъснато. Нещо повече, свръхкоростите шипове се стрелят бързо, една след друга. Но когато изследователите блокираха калция да влезе в невроните, шиповете спряха. Учените стигнаха до заключението, че са се натъкнали на съвсем нов клас шип, подобен по продължителност на натрий, но контролиран от калций.
"Те изглеждат по-различно от всичко, което досега сме знаели от други бозайници", казва Маянк Мехта, професор в катедрите по неврология, невробиологична физика и астрономия в Калифорнийския университет в Лос Анджелис, който не е участвал в изследването. Големият въпрос е как тези шипове се свързват с действителната мозъчна функция, каза той.
Изчислителни електроцентрали
Larkum и неговите колеги не можаха да тестват как могат да се държат нарязаните им проби в непокътнат човешки мозък, така че те разработиха компютърен модел въз основа на техните резултати. В мозъка дендритите получават сигнали по дължината си от близките неврони, които могат или да ги натиснат, за да генерират шип, или да им попречат да го направят. По подобен начин екипът проектира цифрови дендрити, които могат да бъдат стимулирани или инхибирани от хиляди различни точки по дължината им. В исторически план проучванията предполагат, че дендритите изравняват тези противоположни сигнали във времето и изстрелват шип, когато броят на възбудителните сигнали превъзхожда инхибиторните.
Но цифровите дендрити изобщо не се държаха по този начин.
„Когато погледнахме внимателно, видяхме, че има това странно явление“, каза Ларкум. Колкото повече възбуждащи сигнали получава дендрит, толкова по-малка е вероятността да генерира шип. Вместо това, всеки регион в даден дендрит изглеждаше „настроен“ да отговори на конкретно ниво на стимулация - не повече, нито по-малко.
Но какво означава това по отношение на действителната функция на мозъка? Това означава, че дендритите могат да обработват информация във всяка точка по цялата им дължина, като работят като единна мрежа, за да решат коя информация да изпратите, коя да изхвърлите и коя да обработвате сами, каза Larkum.
"Не изглежда, че клетката само добавя нещата - тя също изхвърля нещата", каза Мехта пред Live Science. (В този случай сигналите за „изхвърляне“ биха били възбуждащи сигнали, които не са правилно настроени към „сладкото място на дендритния регион“.) Тази изчислителна суперсила може да даде възможност на дендритите да поемат функции, считани за работа на цели невронни мрежи. ; например, Мехта теоретизира, че отделни дендрити могат дори да кодират спомени.
Веднъж невролозите смятали, че цели мрежи от неврони работят заедно, за да извършат тези сложни изчисления и решили как да отговорят като група. Изглежда, че индивидуалният дендрит прави този точен тип изчисление сам.
Възможно е само човешкият мозък да притежава тази впечатляваща изчислителна сила, но Ларкум каза, че е рано да се каже със сигурност. Той и колегите му искат да търсят този тайнствен калциев шип при гризачи, в случай че той е бил пренебрегнат в минали изследвания. Той също така се надява да сътрудничи на подобни изследвания при примати, за да види дали електрическите свойства на човешките дендрити са подобни на тези на нашите еволюционни роднини.
Много е малко вероятно тези шипове да правят хората специални или по-интелигентни от другите бозайници, каза Мехта. Може да се окаже, че новооткритото електрическо свойство е уникално за L2 / 3 невроните в мозъчната кора на човека, тъй като мозъкът на гризача също произвежда специфични шипове в определени области на мозъка, добави той.
При минали изследвания Мехта откри, че дендритите на гризачите също генерират голямо разнообразие от шипове, чиято точна функция остава неизвестна. Интересното е, че само част от тези шипове всъщност предизвикват реакция в клетъчното тяло, в което те се включват, каза той. В невроните на гризачите приблизително 90 процента от дендритните шипове не извеждат електрически сигнали от клетъчното тяло, което предполага, че дендритите както при гризачите, така и при хората могат да обработват информация независимо по начини, които все още не разбираме.
Голяма част от нашето разбиране за учене и памет произтича от изследвания на електрическата активност, генерирана в тялото на невронната клетка и нейния изходен кабел, аксона. Но тези открития подсказват, че „може да се окаже, че по-голямата част от шиповете в мозъка може да се случват в дендритите“, каза Мехта. „Тези шипове биха могли да променят правилата за учене.“
Забележка на редактора: Тази история е актуализирана на 9 януари, за да се изясни изявление на д-р Маянк Мехта за това дали новият електрически сигнал може да е уникален за хората.
