Согласно новым исследованиям, клетки, расположенные в самых внешних слоях человеческого мозга, генерируют особый вид электрического сигнала, который может дать им дополнительный прирост вычислительной мощности. Более того, этот сигнал может быть уникальным для людей - и может объяснить наш уникальный интеллект, согласно авторам исследования.
Мозговые клетки, или нейроны, соединяются через длинные разветвленные провода и челночные сообщения вдоль этих кабелей для связи друг с другом. Каждый нейрон имеет как исходящий провод, называемый аксоном, так и провод, который принимает входящие сообщения, известный как дендрит. Дендрит передает информацию остальной части нейрона посредством вспышек электрической активности. В зависимости от того, как устроен мозг, каждый дендрит может получать сотни тысяч сигналов от других нейронов по всей его длине. Хотя ученые считают, что эти электрические всплески помогают соединить мозг и могут лежать в основе таких способностей, как обучение и память, точная роль дендритов в познании человека остается загадкой.
Теперь исследователи обнаружили новую разновидность электрического всплеска человеческих дендритов, который, по их мнению, мог бы позволить клеткам выполнять вычисления, которые когда-то считались слишком сложными для отдельного нейрона, чтобы справиться с ним самостоятельно. В исследовании, опубликованном 3 января в журнале Science, отмечается, что вновь обнаруженное электрическое свойство никогда не наблюдалось ни в одной ткани животного, кроме человека, что ставит вопрос о том, вносит ли этот сигнал однозначный вклад в интеллект человека или в приматов, наших эволюционные кузены.
Странный сигнал
До сих пор большинство исследований дендритов проводилось на ткани грызунов, которая обладает общими свойствами с клетками головного мозга человека, говорит соавтор исследования Мэтью Ларкум, профессор кафедры биологии в Университете Гумбольдта в Берлине. Тем не менее, человеческие нейроны измеряют примерно вдвое дольше, чем у мыши, сказал он.
«Это означает, что электрические сигналы должны проходить вдвое дальше», - сказал Ларкум в интервью Live Science. «Если бы не было изменений в электрических свойствах, то это означало бы, что у людей те же самые синаптические входы были бы немного менее мощными». Другими словами, электрические пики, полученные дендритом, значительно ослабли бы к тому времени, когда они достигли клеточного тела нейрона.
Поэтому Ларкум и его коллеги намеревались раскрыть электрические свойства человеческих нейронов, чтобы увидеть, как на самом деле эти более длинные дендриты способны эффективно передавать сигналы.
Это была нелегкая задача.
Во-первых, исследователи должны были взять в свои руки образцы тканей человеческого мозга, общеизвестно скудный ресурс. Команда в конечном итоге использовала нейроны, которые были вырезаны из мозга пациентов с эпилепсией и опухолями, как часть их лечения. Команда сосредоточилась на нейронах, удаленных из коры головного мозга, сморщенной внешней части мозга, которая содержит несколько отдельных слоев. У людей эти слои содержат плотные сети дендритов и становятся чрезвычайно толстыми, что, по утверждению «Науки», может быть «фундаментальным для того, что делает нас людьми».
«Вы получаете ткани очень редко, поэтому вам просто нужно поработать с тем, что перед вами», - сказал Ларкум. И ты должен работать быстро, добавил он. Вне человеческого организма клетки мозга, испытывающие недостаток кислорода, остаются жизнеспособными только около двух дней. Чтобы в полной мере воспользоваться этим ограниченным временным интервалом, Ларкум и его команда собирали результаты измерений с данного образца так долго, как могли, иногда работая в течение 24 часов подряд.
Во время этих экспериментальных марафонов команда измельчала ткани мозга на кусочки и протыкала отверстия в дендритах, содержащихся внутри. Вставляя тонкие стеклянные пипетки через эти отверстия, исследователи могли вводить ионы или заряженные частицы в дендриты и наблюдать, как они меняются в электрической активности. Как и ожидалось, стимулированные дендриты вызывали всплески электрической активности, но эти сигналы выглядели совсем не так, как раньше.
Каждый всплеск загорался только в течение короткого периода времени - около миллисекунды. В ткани грызунов этот тип сверхкороткого всплеска возникает, когда поток натрия проникает в дендрит, вызванный определенным накоплением электрической активности. Кальций также может вызывать пики в дендритах грызунов, но эти сигналы, как правило, длятся в 50-100 раз дольше, чем пики натрия, сказал Ларкум. Однако то, что команда увидела в человеческих тканях, казалось странным гибридом обоих.
«Хотя это выглядело как событие с натрием, на самом деле это было событие с кальцием», - сказал Ларкум. Члены команды проверили, что произойдет, если они не допустят попадания натрия в свои образцы дендритов, и обнаружили, что шипы продолжали непрерывно стрелять. Более того, сверхкороткие шипы сработали в быстрой последовательности, один за другим. Но когда исследователи заблокировали поступление кальция в нейроны, спайки прекратились. Ученые пришли к выводу, что они наткнулись на новый класс шипов, один по продолжительности похожий на натрий, но контролируемый кальцием.
«Они отличаются от того, что мы знали до сих пор от других млекопитающих», - сказал Маянк Мехта, профессор кафедры неврологии, физики нейробиологии и астрономии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, который не принимал участия в исследовании. Большой вопрос в том, как эти спайки связаны с реальной функцией мозга, сказал он.
Вычислительные электростанции
Ларкум и его коллеги не смогли проверить, как их нарезанные образцы могут вести себя в неповрежденном человеческом мозге, поэтому они разработали компьютерную модель на основе своих результатов. В мозге дендриты получают сигналы по своей длине от соседних нейронов, которые могут либо подтолкнуть их к генерации всплеска, либо помешать им в этом. Аналогичным образом, команда разработала цифровые дендриты, которые можно стимулировать или подавлять из тысяч различных точек по всей их длине. Исторически, исследования предполагают, что дендриты объединяют эти противоположные сигналы с течением времени и запускают всплеск, когда количество возбуждающих сигналов превосходит подавляющие.
Но цифровые дендриты так себя не ведут.
«Когда мы внимательно посмотрели, мы увидели, что произошло это странное явление», - сказал Ларкум. Чем больше возбуждающих сигналов получает дендрит, тем меньше вероятность того, что он вызовет всплеск. Вместо этого каждая область в данном дендрите, казалось, «настроена» реагировать на определенный уровень стимуляции - ни больше, ни меньше.
Но что это значит с точки зрения фактической функции мозга? Это означает, что дендриты могут обрабатывать информацию в каждой точке их длины, работая как единая сеть, чтобы решить, какую информацию отправлять, какую отбрасывать, а какую обрабатывать в одиночку, сказал Ларкум.
«Не похоже, что ячейка просто складывает вещи - она также выбрасывает вещи», - сказала Мехта в интервью Live Science. (В этом случае «выбрасываемые» сигналы были бы возбуждающими сигналами, которые не были должным образом настроены на «сладкое пятно» дендритной области.) Эта вычислительная сверхдержава могла позволить дендритам выполнять функции, которые раньше считались работой целых нейронных сетей. ; например, Мехта теоретизирует, что отдельные дендриты могут даже кодировать воспоминания.
Однажды нейробиологи подумали, что целые сети нейронов работали вместе, чтобы выполнить эти сложные вычисления, и решили, как реагировать как группа. Теперь кажется, что отдельный дендрит сам выполняет этот точный расчет.
Вполне возможно, что только внушительный вычислительный потенциал обладает только человеческим мозгом, но Ларкум сказал, что еще рано говорить наверняка. Он и его коллеги хотят найти этот загадочный всплеск кальция у грызунов, если в прошлых исследованиях его не заметили. Он также надеется сотрудничать в подобных исследованиях у приматов, чтобы увидеть, похожи ли электрические свойства человеческих дендритов на свойства наших эволюционных родственников.
По словам Мехты, маловероятно, что эти шипы делают людей особенными или более умными, чем другие млекопитающие. Возможно, что новое электрическое свойство является уникальным для нейронов L2 / 3 в коре головного мозга человека, поскольку мозг грызунов также производит специфические пики в определенных областях мозга, добавил он.
В прошлых исследованиях Мехта обнаружил, что дендриты грызунов также генерируют широкий спектр шипов, точная функция которых остается неизвестной. Интересно то, что только часть этих спайков фактически вызывает реакцию в теле клетки, в которую они подключаются, сказал он. В нейронах грызунов примерно 90 процентов пиков дендритов не вызывают электрические сигналы от тела клетки, что позволяет предположить, что дендриты как у грызунов, так и у людей могут обрабатывать информацию независимо, способами, которые мы еще не понимаем.
Большая часть нашего понимания обучения и памяти проистекает из исследований электрической активности, генерируемой в теле нейронной клетки и ее выходном кабеле, аксоне. Но эти результаты предполагают, что «может быть, что большинство пиков в мозге происходит в дендритах», сказал Мехта. «Эти спайки могут изменить правила обучения».
Примечание редактора: эта история была обновлена 9 января, чтобы прояснить утверждение доктора Маянка Мехты о том, может ли новый электрический сигнал быть уникальным для человека.
