Celler som ligger i de ytterste lagene av den menneskelige hjernen genererer en spesiell type elektrisk signal som kan gi dem et ekstra løft av datakraft, antyder ny forskning. Dessuten kan dette signalet være unikt for mennesker - og kan forklare vår unike intelligens, ifølge studieforfatterne.
Hjerneceller, eller nevroner, kobles sammen gjennom lange, forgrenede ledninger og transportmeldinger langs disse kablene for å kommunisere med hverandre. Hver nevron har både en utgående ledning, kalt en akson, og en ledning som mottar innkommende meldinger, kjent som en dendrite. Dendritten formidler informasjon til resten av nevronen gjennom utbrudd av elektrisk aktivitet. Avhengig av hvordan hjernen er koblet sammen, kan hver dendrite motta hundretusener av signaler fra andre nevroner på lengden. Mens forskere mener at disse elektriske piggene hjelper til med å koble hjernen og kan ligge til grunn for evner som læring og hukommelse, forblir den nøyaktige rollen til dendritter i menneskelig erkjennelse et mysterium.
Nå har forskere avdekket en ny smak av elektrisk pigg hos menneskelige dendritter - en som de tror kan gi cellene mulighet til å utføre beregninger en gang trodde for komplisert for at en enkelt nevron kan takle på egen hånd. Studien, publisert 3. januar i tidsskriftet Science, bemerker at den nyfundne elektriske egenskapen aldri har blitt observert i noe annet dyrevev enn menneske, noe som reiser spørsmålet om signalet unikt bidrar til menneskelig intelligens, eller til primater, evolusjonære søskenbarn.
Et underlig signal
Frem til nå har de fleste dendrittstudier blitt utført i gnagevev, som deler grunnleggende egenskaper med menneskelige hjerneceller, sa studiens medforfatter Matthew Larkum, professor i biologisk institutt ved Humboldt University i Berlin. Imidlertid måler menneskelige nevroner omtrent dobbelt så lenge som de som finnes i en mus, sa han.
"Det betyr at de elektriske signalene må reise dobbelt så langt," sa Larkum til Live Science. "Hvis det ikke var noen endring i de elektriske egenskapene, ville det bety at de samme synaptiske inngangene hos mennesker ville være ganske mye mindre kraftige." Med andre ord, elektriske pigger som ble mottatt av en dendritt, vil svekkes betydelig når de nådde nervecelleorganet.
Så Larkum og kollegene bestemte seg for å avdekke de elektriske egenskapene til menneskelige nevroner for å se hvordan disse lengre dendritene faktisk klarer å sende signaler effektivt.
Dette var ingen lett oppgave.
Først måtte forskerne ta hendene på prøver av menneskelig hjernevev, en notorisk knapp ressurs. Teamet endte opp med å bruke nevroner som hadde blitt skivet ut fra hjernen til epilepsi og tumor pasienter som en del av deres medisinske behandling. Teamet fokuserte på nevroner som ble reseksert fra hjernebarken, det rynkete utsiden av hjernen som inneholder flere forskjellige lag. Hos mennesker har disse lagene tette nettverk av dendritter og vokser til å være ekstremt tykke, et attributt som kan være "grunnleggende for det som gjør oss menneskelige," ifølge en uttalelse fra Science.
"Du får vevet veldig sjelden, så du må bare jobbe med det som ligger foran deg," sa Larkum. Og du må jobbe raskt, la han til. Utenfor menneskekroppen forblir de oksygen-sultne hjernecellene bare levedyktige i omtrent to dager. For å dra full nytte av dette begrensede tidsvinduet, ville Larkum og teamet hans samle målinger fra en gitt prøve så lenge de kunne, noen ganger jobbe i 24 timer i strekk.
I løpet av disse eksperimentelle maratonene hakket teamet hjernevevet i skiver og stakk hull i dendrittene som var inne i. Ved å stikke tynne glasspipetter gjennom disse hullene, kunne forskerne injisere ioner, eller ladede partikler, i dendrittene og observere hvordan de endret seg i elektrisk aktivitet. Som forventet genererte de stimulerte dendrittene pigger med elektrisk aktivitet, men disse signalene så veldig annerledes ut enn det som er sett før.
Hver pigg antente i bare en kort periode - omtrent et millisekund. I gnagevev oppstår denne typen supershort pigge når en flom av natrium kommer inn i en dendrite, utløst av en spesiell ansamling av elektrisk aktivitet. Kalsium kan også utløse pigger hos gnagerdendritter, men disse signalene har en tendens til å vare 50 til 100 ganger lenger enn natrium pigger, sa Larkum. Det teamet så i menneskelig vev, syntes imidlertid å være en merkelig hybrid av de to.
"Selv om det så ut som en natriumhendelse, var det faktisk en kalsiumhendelse," sa Larkum. Teammedlemmene testet hva som ville skje hvis de forhindret at natrium kom inn i prøven dendritter og fant ut at piggene fortsatte å skyte uforminsket. Dessuten fyrte supershort-piggene raskt etter hverandre, etter hverandre. Men da forskerne blokkerte kalsium fra å komme inn i nevronene, stoppet piggene kort. Forskerne konkluderte med at de hadde snublet over en helt ny klasse med pigg, en som varte lenge som natrium, men kontrollert av kalsium.
"Disse ser annerledes ut enn hva vi har kjent så langt fra andre pattedyr," sa Mayank Mehta, professor i avdelingene for nevrologi, nevrobiologisk fysikk og astronomi ved University of California, Los Angeles, som ikke var involvert i studien. Det store spørsmålet er, hvordan forholder disse piggene seg til faktisk hjernefunksjon, sa han.
Beregningskraftverk
Larkum og kollegene hans kunne ikke teste hvordan deres oppskårne prøver kan oppføre seg i en intakt menneskelig hjerne, så de konstruerte en datamodell basert på resultatene. I hjernen mottar dendritter signaler langs deres lengde fra nærliggende nevroner som enten kan presse dem til å generere en pigg eller forhindre dem i å gjøre det. På samme måte utformet teamet digitale dendritter som kan stimuleres eller hemmes fra tusenvis av forskjellige punkter i lengden. Historisk sett antyder studier at dendritt stemmer opp disse motstridende signalene over tid og avfyrer en pigg når antallet eksitatoriske signaler overstiger de hemmende.
Men de digitale dendritene oppførte seg ikke i det hele tatt.
"Da vi så nøye, kunne vi se at det var dette merkelige fenomenet," sa Larkum. Jo mer eksitatoriske signaler en dendrite mottok, jo mindre sannsynlig var det å generere en pigg. I stedet virket hver region i en gitt dendrite "innstilt" for å svare på et spesifikt nivå av stimulering - ikke mer, ikke mindre.
Men hva betyr dette med tanke på faktisk hjernefunksjon? Det betyr at dendritter kan behandle informasjon på hvert eneste punkt i lengden, og jobber som et samlet nettverk for å bestemme hvilken informasjon som skal sendes, hvilken som skal kasseres og hvilken som skal håndteres alene, sa Larkum.
"Det ser ikke ut til at cellen bare legger opp ting - den kaster også ting bort," sa Mehta til Live Science. (I dette tilfellet ville "kast bort" -signalene være eksitasjonssignaler som ikke er riktig innstilt på den dendritiske regionens "søte flekk.") Denne beregningsmessige supermakten kan gjøre det mulig for dendritt å påta seg funksjoner en gang antas å være arbeidet til hele nevrale nettverk. ; for eksempel teoretiserer Mehta at individuelle dendritter til og med kan kode minner.
En gang trodde nevrovitenskapsmenn at hele nettverk av nevroner jobbet sammen for å utføre disse komplekse beregningene og bestemte hvordan de skulle svare som gruppe. Nå virker det som om en individuell dendrite gjør akkurat denne beregningen.
Det kan være at bare den menneskelige hjernen har denne imponerende regnekraften, men Larkum sa at det er for tidlig å si sikkert. Han og kollegene ønsker å søke etter denne mystiske kalsiumpigen i gnagere, i tilfelle den har blitt oversett i tidligere forskning. Han håper også å samarbeide om lignende studier i primater for å se om de elektriske egenskapene til menneskelige dendritter ligner på de som våre evolusjonære slektninger har.
Det er veldig usannsynlig at disse piggene gjør mennesker spesielle eller mer intelligente enn andre pattedyr, sa Mehta. Det kan være at den nyfundne elektriske egenskapen er unik for L2 / 3-nevroner i hjernebarken i mennesker, ettersom gnagerehjernen også produserer spesifikke pigger i bestemte områder av hjernen, la han til.
I tidligere undersøkelser fant Mehta at gnagerdendritter også genererer et bredt spekter av pigger med nøyaktig funksjon. Det som er interessant er at bare en brøkdel av disse piggene faktisk utløser en reaksjon i cellekroppen de plugger seg inn, sa han. I gnagereuroner gir omtrent 90 prosent av dendritiske pigger ikke elektriske signaler fra cellekroppen, noe som tyder på at dendritter i både gnagere og mennesker kan behandle informasjon uavhengig, på måter vi ennå ikke forstår.
Mye av vår forståelse av læring og hukommelse stammer fra forskning på elektrisk aktivitet som genereres i nervecellelegemet og dens utgangskabel, aksonet. Men disse funnene tyder på at "det kan være at flertallet av piggene i hjernen kan finne sted i dendrittene," sa Mehta. "Disse piggene kan endre regler for læring."
Redaktørens merknad: Denne historien ble oppdatert 9. januar for å tydeliggjøre en uttalelse fra Dr. Mayank Mehta om hvorvidt det nyfundne elektriske signalet kan være unikt for mennesker.
