Celler beliggende i de yderste lag af den menneskelige hjerne genererer en særlig form for elektrisk signal, der muligvis giver dem et ekstra løft af computerkraft, antyder ny forskning. Hvad mere er, dette signal kan være unikt for mennesker - og forklarer muligvis vores unikke intelligens, ifølge undersøgelsesforfatterne.
Hjerneceller eller neuroner kobles sammen gennem lange, forgrenede ledninger og shuttle-meddelelser langs disse kabler for at kommunikere med hinanden. Hver neuron har både en udgående ledning, kaldet en akson, og en ledning, der modtager indgående meddelelser, kendt som en dendrit. Dendritten videregiver information til resten af neuronet gennem udbrud af elektrisk aktivitet. Afhængig af hvordan hjernen er forbundet, kan hver dendrit modtage hundreder af tusinder af signaler fra andre neuroner i dets længde. Mens forskere mener, at disse elektriske pigge hjælper med at trænge hjernen og muligvis ligger til grund for evner som læring og hukommelse, forbliver den nøjagtige rolle af dendriter i menneskelig kognition et mysterium.
Nu har forskere afsløret en ny smag af elektrisk spids hos menneskelige dendritter - en, som de tror, kunne give cellerne mulighed for at udføre beregninger, når de først var tænkt for kompliceret til, at en enkelt neuron kan tackle den alene. Undersøgelsen, der blev offentliggjort 3. januar i tidsskriftet Science, bemærker, at den nyfundne elektriske egenskab aldrig er blevet observeret i noget andet animalsk væv end menneske, hvilket rejser spørgsmålet om signalet unikt bidrager til menneskelig intelligens eller til primater, vores evolutionære fætre.
Et underligt signal
Indtil nu er de fleste dendritundersøgelser blevet udført i gnavervæv, der deler basiske egenskaber med menneskelige hjerneceller, sagde medforfatter til Matthew Larkum, en professor i biologisk afdeling ved Humboldt Universitet i Berlin. Imidlertid måler menneskelige neuroner cirka dobbelt så længe som dem, der findes i en mus, sagde han.
"Det betyder, at de elektriske signaler skal rejse dobbelt så langt," fortalte Larkum til Live Science. "Hvis der ikke var nogen ændring i de elektriske egenskaber, ville det betyde, at hos mennesker ville de samme synaptiske indgange være lidt mindre magtfulde." Med andre ord, elektriske pigge modtaget af en dendrit ville svækkes markant, når de nåede cellecellen i neuronet.
Så Larkum og hans kolleger forsøgte at afdække de elektriske egenskaber hos menneskelige neuroner for at se, hvordan disse længere dendriter faktisk formår at sende signaler effektivt.
Dette var ingen let opgave.
Først måtte forskerne få hænderne på humane hjernevævsprøver, en berygtet knap ressource. Holdet sluttede med at bruge neuroner, der var skåret ud fra hjernen hos epilepsi og tumorpatienter som en del af deres medicinske behandling. Holdet fokuserede på neuroner resekeret fra hjernebarken, det rynkede ydre af hjernen, der indeholder flere forskellige lag. Hos mennesker har disse lag tætte netværk af dendriter og vokser til at være ekstremt tykke, en egenskab, der kan være "grundlæggende for, hvad der gør os til mennesker", ifølge en erklæring fra Science.
"Du får vævet meget sjældent, så du er lige nødt til at arbejde med det, der ligger foran dig," sagde Larkum. Og du skal arbejde hurtigt, tilføjede han. Uden for den menneskelige krop forbliver de ilt-sultede hjerneceller kun levedygtige i cirka to dage. For at drage fuld fordel af dette begrænsede tidsvindue ville Larkum og hans team samle målinger fra en given prøve så længe de kunne, nogle gange arbejde 24 timer i rækkefølge.
Under disse eksperimentelle maratonhugger hakkede holdet hjernevæv i skiver og stak huller i dendriterne inde i. Ved at stikke tynde glaspipetter gennem disse huller kunne forskerne injicere ioner eller ladede partikler i dendritterne og se, hvordan de ændrede sig i elektrisk aktivitet. Som forventet genererede de stimulerede dendritter pigge med elektrisk aktivitet, men disse signaler så meget anderledes ud end set før.
Hver pigge antændes kun i en kort periode - omkring et millisekund. I gnavervæv forekommer denne type supershort spike, når en oversvømmelse af natrium kommer ind i en dendrit, udløst af en særlig ophobning af elektrisk aktivitet. Calcium kan også udløse pigge hos gnaverdendriter, men disse signaler har en tendens til at vare 50 til 100 gange længere end natriumspik, sagde Larkum. Hvad teamet så i menneskeligt væv, syntes imidlertid at være en underlig hybrid af de to.
"Selvom det så ud som en natriumhændelse, var det faktisk en calciumbegivenhed," sagde Larkum. Holdmedlemmerne testede, hvad der ville ske, hvis de forhindrede natrium i at komme ind i deres prøve dendrites og fandt, at piggene fortsatte med at skyde uformindsket. Desuden fyrede supershort-piggene hurtigt efter hinanden, den ene lige efter den anden. Men da forskerne blokerede for, at calcium kom ind i neuronerne, stoppede piggene kort. Forskerne konkluderede, at de havde snublet over en helt ny klasse af pigge, en varighed, der ligner varighed af natrium, men kontrolleret af calcium.
"Disse ser anderledes ud end hvad vi har kendt hidtil fra andre pattedyr," sagde Mayank Mehta, professor i afdelingerne neurologi, neurobiologisk fysik og astronomi ved University of California, Los Angeles, som ikke var involveret i undersøgelsen. Det store spørgsmål er, hvordan disse pigge forholder sig til den faktiske hjernefunktion, sagde han.
Computational kraftcentre
Larkum og hans kolleger kunne ikke teste, hvordan deres opskårne prøver kunne opføre sig i en intakt menneskelig hjerne, så de konstruerede en computermodel baseret på deres resultater. I hjernen modtager dendritter signaler langs deres længde fra nærliggende neuroner, der enten kan skubbe dem til at generere en pigge eller forhindre dem i at gøre det. Tilsvarende designede teamet digitale dendriter, der kan stimuleres eller hæmmes fra tusinder af forskellige punkter langs deres længde. Historisk antyder undersøgelser, at dendriter stemmer overens med disse modsatte signaler over tid og affyrer en pigge, når antallet af eksiterende signaler overstiger de hæmmende.
Men de digitale dendriter opførte sig slet ikke på denne måde.
”Da vi kiggede nøje, kunne vi se, at der var dette mærkelige fænomen,” sagde Larkum. Jo mere exciterende signaler en dendrit modtog, desto mindre sandsynligt var det at generere en pig. I stedet syntes hver region i en given dendrit "indstillet" til at reagere på et specifikt niveau af stimulering - ikke mere, ikke mindre.
Men hvad betyder det med hensyn til faktisk hjernefunktion? Det betyder, at dendrites muligvis behandler oplysninger på hvert eneste punkt i deres længder og arbejder som et samlet netværk for at beslutte, hvilke oplysninger de skal sende, hvilke der skal kasseres, og hvilke de skal håndteres alene, sagde Larkum.
"Det ser ikke ud til, at cellen bare tilføjer ting - den smider også ting væk," fortalte Mehta til Live Science. (I dette tilfælde ville "smid" -signalerne være ophidsende signaler, der ikke er korrekt afstemt til den dendritiske region "søde plet.") Denne beregningsmæssige supermagt kunne gøre det muligt for dendritter at påtage sig funktioner, når man troede var værket i hele neurale netværk. ; for eksempel teoretiserer Mehta, at individuelle dendriter endda kunne kode hukommelser.
En gang troede neurovidenskabsmænd, at hele netværk af neuroner arbejdede sammen for at udføre disse komplekse beregninger og besluttede, hvordan de skulle reagere som gruppe. Nu ser det ud til, at en individuel dendrit gør denne nøjagtige beregningstype helt alene.
Det kan være, at kun den menneskelige hjerne besidder denne imponerende computerkraft, men Larkum sagde, at det er for tidligt at sige med sikkerhed. Han og hans kolleger ønsker at søge efter denne mystiske calciumspids i gnavere, hvis den er overset i tidligere forskning. Han håber også at samarbejde om lignende undersøgelser i primater for at se, om de elektriske egenskaber hos menneskelige dendriter ligner dem, som vores evolutionære slægtninge har.
Det er meget usandsynligt, at disse pigge gør mennesker specielle eller mere intelligente end andre pattedyr, sagde Mehta. Det kan være, at den nyfundne elektriske egenskab er unik for L2 / 3-neuroner i den humane hjernebark, da gnaverhjernen også producerer specifikke pigge i bestemte regioner i hjernen, tilføjede han.
I tidligere undersøgelser fandt Mehta, at gnaverdendriter også genererer en lang række pigge, hvis nøjagtige funktion stadig er ukendt. Det, der er interessant, er, at kun en brøkdel af disse pigge faktisk udløser en reaktion i cellekroppen, de tilslutter sig, sagde han. I gnaverneuroner fremkalder omtrent 90 procent af dendritiske pigge ikke elektriske signaler fra cellelegemet, hvilket antyder, at dendritter i både gnavere og mennesker muligvis behandler information uafhængigt, på måder, vi endnu ikke forstår.
Meget af vores forståelse af læring og hukommelse stammer fra forskning i elektrisk aktivitet, der genereres i neuroncellelegemet og dets outputkabel, akson. Men disse fund antyder, at "det kan være, at størstedelen af piggene i hjernen kan finde sted i dendritterne," sagde Mehta. "Disse pigge kunne ændre læringsreglerne."
Redaktørens note: Denne historie blev opdateret 9. januar for at afklare en erklæring fra Dr. Mayank Mehta om, hvorvidt det nyfundne elektriske signal måske er unikt for mennesker.
