Ląstelės, esančios atokiausiuose žmogaus smegenų sluoksniuose, sukuria ypatingą elektrinį signalą, kuris gali suteikti papildomą skaičiavimo galią, rodo nauji tyrimai. Dar daugiau, šis signalas gali būti būdingas tik žmonėms - ir tai gali paaiškinti mūsų unikalų intelektą, teigia tyrimo autoriai.
Smegenų ląstelės arba neuronai jungiasi per ilgus, išsišakojančius laidus ir šaudyklinius pranešimus išilgai šių laidų, kad galėtų susisiekti vieni su kitais. Kiekvienas neuronas turi ir išeinančią laidą, vadinamą aksonu, ir laidą, kuris priima gaunamus pranešimus, vadinamą dendritu. Dendritas perduoda informaciją likusiam neuronui per elektrinio aktyvumo pertraukas. Priklausomai nuo smegenų laidumo, kiekvienas dendritas gali priimti šimtus tūkstančių signalų iš kitų neuronų per visą ilgį. Nors mokslininkai mano, kad šie elektriniai smaigaliai padeda sujungti smegenis ir gali būti tokie gebėjimai kaip mokymasis ir atmintis, tikslus dendritų vaidmuo žmogaus pažinime išlieka paslaptis.
Dabar tyrėjai atrado naują žmogaus dendritų elektrinių smaigalių skonį - jų manymu, ląstelės galėtų atlikti skaičiavimus, kai jie manė, kad sudėtinga, kad vienas neuronas galėtų savarankiškai susidoroti. Tyrime, paskelbtame sausio 3 d. Žurnale „Science“, pažymima, kad naujai rastos elektrinės savybės niekada nebuvo pastebėtos jokiuose gyvūnų, išskyrus žmogaus, audiniuose, todėl kyla klausimas, ar signalas vienareikšmiškai prisideda prie žmogaus, ar primatų, intelekto evoliuciniai pusbroliai.
Keistas signalas
Iki šiol dauguma dendrito tyrimų buvo atlikti su graužikų audiniais, kurie pasižymi pagrindinėmis savybėmis su žmogaus smegenų ląstelėmis, sakė tyrimo bendraautorius Matthew Larkum, Berlyno Humboldto universiteto biologijos katedros profesorius. Tačiau žmogaus neuronai matuoja maždaug dvigubai ilgiau nei tie, kurie randami pelėje.
„Tai reiškia, kad elektriniai signalai turi važiuoti dvigubai daugiau“, - Larkumas pasakojo „Live Science“. "Jei elektrinės savybės nepasikeis, tai reikštų, kad žmonėms tie patys sinapsiniai įėjimai bus šiek tiek mažiau galingi". Kitaip tariant, elektriniai smaigai, kuriuos gauna dendritas, labai susilpnėtų, kai jie pasieks neurono ląstelę.
Taigi Larkumas ir jo kolegos pasirinko atskleisti žmogaus neuronų elektrines savybes norėdami pamatyti, kaip šie ilgesni dendritai iš tikrųjų sugeba efektyviai siųsti signalus.
Tai nebuvo lengva užduotis.
Pirmiausia, tyrėjai turėjo susipainioti su žmogaus smegenų audinio mėginiais, kurie yra mažai žinomi ištekliai. Komanda savo gydymui panaudojo neuronus, kurie buvo atskirti nuo epilepsija sergančių pacientų ir navikų. Komanda sutelkė dėmesį į neuronus, pašalintus iš galvos smegenų žievės - raukšlėtą smegenų išorę, turinčią keletą skirtingų sluoksnių. Žmonėse šie sluoksniai turi tankius dendritų tinklus ir užauga ypač stori - tai požymis, kuris gali būti „pagrindinis tam, kas mus padaro žmonėmis“, teigiama „Science“ pranešime.
„Jūs gausite audinį labai nedažnai, todėl jūs tiesiog turėjote dirbti su tuo, kas yra priešais jus“, - teigė Larkumas. Ir jūs turite greitai dirbti, - pridūrė jis. Už žmogaus kūno ribų deguonies turinčios smegenų ląstelės išlieka gyvybingos tik maždaug dvi dienas. Norėdami visiškai išnaudoti šį riboto laiko intervalą, Larkum ir jo komanda rinktų matavimus iš nurodyto mėginio tiek laiko, kiek galėjo, kartais dirbdami 24 valandas tiesiai.
Šių eksperimentinių maratonų metu komanda supjaustė smegenų audinius į dalis ir išpylė skyles esančiuose dendrituose. Klijuodami plonas stiklines pipetėles per šias skylutes, tyrėjai galėjo įpurkšti jonus arba įkrautas daleles į dendritus ir stebėti, kaip jie pasikeitė elektriniu aktyvumu. Kaip ir tikėtasi, stimuliuoti dendritai sukėlė elektrinio aktyvumo smaigalius, tačiau šie signalai atrodė labai skirtingai nuo anksčiau matytų.
Kiekvienas smaigalys užsidegė tik trumpą laiką - maždaug per milisekundę. Graužikų audinyje tokio tipo trumpas smaigas atsiranda, kai natrio potvynis patenka į dendritą, kurį sukelia tam tikras elektrinio aktyvumo kaupimasis. Kalcis taip pat gali sukelti graužikų dendritų smaigalius, tačiau šie signalai paprastai trunka nuo 50 iki 100 kartų ilgiau nei natrio šuoliai, sakė Larkumas. Vis dėlto tai, ką komanda pamatė žmogaus audinyje, atrodė keistas jų abiejų hibridas.
„Nors tai atrodė kaip natrio reiškinys, iš tikrųjų tai buvo kalcio įvykis“, - teigė Larkumas. Komandos nariai išbandė, kas nutiks, jei jie neleis natriui patekti į jų mėginių dendritus ir nustatė, kad smaigaliai ir toliau degė be teršalų. Dar daugiau: superšorto smaigaliai iššovė greitai vienas po kito. Bet kai tyrėjai užblokavo kalcio patekimą į neuronus, smaigaliai trumpai sustojo. Mokslininkai padarė išvadą, kad jie suklupo ant visiškai naujos smaigalių klasės, kurios trukmė panaši į natrio, tačiau kontroliuojama kalcio.
„Jie atrodo kitaip nei tai, ką iki šiol pažinojome iš kitų žinduolių“, - sakė tyrime nedalyvavęs Kalifornijos universiteto neurologijos, neurobiologijos fizikos ir astronomijos katedros profesorius Mayank Mehta. Didelis klausimas yra, kaip šie smaigai yra susiję su faktine smegenų funkcija, sakė jis.
Kompiuterinės jėgainės
Larkumas ir jo kolegos negalėjo išbandyti, kaip jų supjaustyti mėginiai gali elgtis nepažeistose žmogaus smegenyse, todėl jie sukūrė kompiuterio modelį, pagrįstą jų rezultatais. Smegenyse dendritai per visą ilgį gauna signalus iš šalia esančių neuronų, kurie gali juos pastumti, kad susidarytų smaigalys, arba užkirsti kelią jiems tai padaryti. Panašiai komanda sukūrė skaitmeninius dendritus, kuriuos galima stimuliuoti ar slopinti iš tūkstančių skirtingų taškų per ilgį. Istoriškai tyrimai rodo, kad dendritai laikui bėgant suderina šiuos priešingus signalus ir iššauna smaigalį, kai sužadinamųjų signalų skaičius viršija slopinamuosius.
Tačiau skaitmeniniai dendritai visiškai nesielgė taip.
„Atidžiai pasižiūrėję pamatėme, kad įvyko šis keistas reiškinys“, - teigė Larkumas. Kuo daugiau jaudinančių signalų gavo dendritas, tuo mažesnė tikimybė generuoti smaigalį. Vietoj to, kiekvienas tam tikro dendrito regionas atrodė „sureguliuotas“ reaguoti į tam tikrą stimuliacijos lygį - ne daugiau, ne mažiau.
Bet ką tai reiškia atsižvelgiant į faktinę smegenų funkciją? Tai reiškia, kad dendritai gali apdoroti informaciją kiekviename jų taške, naudodamiesi vieningu tinklu, kad nuspręstų, kokią informaciją siųsti, kurią išmesti, o kurią tvarkyti atskirai.
„Neatrodo, kad ląstelė tik prideda daiktus - ji taip pat viską išmeta“, - „Live Science“ pasakojo Mehta. (Šiuo atveju „išmeskite“ signalai būtų sužadinimo signalai, kurie nėra tinkamai suderinti su dendritinio regiono „mieluoju tašku“.) Ši skaičiavimo supervalstybė galėtų suteikti galimybę dendritams atlikti funkcijas, kurios, kaip manoma, yra ištisų neuroninių tinklų darbas. ; pavyzdžiui, Mehta teorizuoja, kad atskiri dendritai netgi gali užkoduoti prisiminimus.
Kartą neuromokslininkai manė, kad ištisi neuronų tinklai dirbo kartu atlikdami šiuos sudėtingus skaičiavimus, ir nusprendė, kaip reaguoti kaip grupė. Dabar atrodo, kad individualus dendritas tiksliai atlieka šį skaičiavimo tipą pats.
Gali būti, kad šią įspūdingą skaičiavimo galią turi tik žmogaus smegenys, tačiau Larkumas teigė, kad dar anksti tvirtai pasakyti. Jis ir jo kolegos nori ieškoti šio paslaptingo kalcio smaigalio graužikams, jei į tai nebuvo atsižvelgta ankstesniuose tyrimuose. Jis taip pat tikisi bendradarbiauti atliekant panašius primatų tyrimus, norėdamas išsiaiškinti, ar žmogaus dendritų elektrinės savybės yra panašios į mūsų evoliucijos artimųjų.
Labai tikėtina, kad šie smaigaliai padaro žmones ypatingais ar protingesniais nei kiti žinduoliai, sakė Mehta. Gali būti, kad naujoji elektrinė savybė yra būdinga tik L2 / 3 neuronams žmogaus smegenų žievėje, nes graužikų smegenys taip pat gamina specifinius smaigalius tam tikruose smegenų regionuose, pridūrė jis.
Ankstesniuose tyrimuose Mehta nustatė, kad graužikų dendritai taip pat sukuria daugybę smaigalių, kurių tiksli funkcija lieka nežinoma. Įdomu tai, kad tik dalis šių smaigalių iš tikrųjų sukelia reakciją ląstelės kūne, į kurią jie įsijungia, sakė jis. Graužikų neuronuose maždaug 90 procentų dendritinių smaigalių neskleidžia elektrinių signalų iš ląstelės kūno, o tai rodo, kad tiek graužikų, tiek žmonių dendritai gali apdoroti informaciją savarankiškai, mums dar nesuprantamais būdais.
Didžioji dalis mūsų mokymosi ir atminties supratimo kyla iš neuronų ląstelių kūne ir jo išvesties kabelyje, aksone, sukuriamos elektrinės veiklos tyrimų. Tačiau šie radiniai leidžia manyti, kad „gali būti, kad didžioji dalis smegenyse esančių smeigių vyksta dendrituose“, - teigė Mehta. "Tie smaigaliai gali pakeisti mokymosi taisykles."
Redaktoriaus pastaba: Ši istorija buvo atnaujinta sausio 9 d., Kad būtų patikslintas dr. Mayank Mehta teiginys apie tai, ar naujai surastas elektrinis signalas gali būti būdingas tik žmonėms.
