Az új kutatások szerint az emberi agy legkülső rétegeiben fészkelt sejtek különleges fajta elektromos jelet generálnak, amelyek további lendületet adhatnak nekik a számítási teljesítménynek. Sőt, ez a jel lehet egyedi az emberek számára - és a tanulmány szerzői szerint magyarázhatja egyedi intelligenciánkat.
Az agysejtek vagy idegsejtek hosszú, elágazó vezetékeken és transzfer üzeneteken keresztül kapcsolódnak ezen kábelek mentén, hogy kommunikáljanak egymással. Mindegyik neuronnak van egy kimenő vezetéke, úgynevezett axon, és egy vezetéke, amely a bejövő üzeneteket fogadja, dendrit néven ismert. A dendrit az elektromos aktivitás eltörésével továbbítja az információt a neuron többi részére. Az agy vezetékezésének módjától függően minden dendrit több ezer jelet képes fogadni más idegsejtektől annak hossza mentén. Noha a tudósok úgy vélik, hogy ezek az elektromos tüskék segítenek az agy vezetésében, és képességeikre támaszkodhatnak, mint például a tanulás és az emlékezet, a dendritek pontos szerepe az emberi megismerésben rejtély marad.
A kutatók most felfedezték az elektromos tüske új ízét az emberi dendritekben - úgy vélik, hogy ezek lehetővé teszik a sejteknek a számítások elvégzését, ha egyszer azt gondolják, hogy az egyetlen neuron önmagában képes megbirkózni. A Science, a január 3-án a Science folyóiratban megjelent tanulmány megjegyzi, hogy az újfajta elektromos tulajdonságot soha nem figyelték meg egyetlen állati szövetben sem, kivéve az embert, felvetve a kérdést, vajon a jel egyedülállóan hozzájárul-e az emberi intelligencia, vagy a főemlősök intelligenciájához. evolúciós unokatestvérek.
Furcsa jel
Mostanáig a legtöbb dendrit-vizsgálatot rágcsálószövetben végezték, amely alapvető tulajdonságokkal rendelkezik az emberi agysejtekkel - mondta Matthew Larkum, a tanulmány társszerzője, a berlini Humboldt Egyetem biológiai tanszékének professzora. Az emberi neuronok azonban mintegy kétszer olyan hosszúak, mint egy egérben levők.
"Ez azt jelenti, hogy az elektromos jeleknek kétszer olyan messzire kell menniük" - mondta Larkum a Live Science-nek. "Ha nem változnak az elektromos tulajdonságok, akkor ez azt jelentené, hogy az emberekben ugyanazok a szinaptikus bemenetek egy kicsit kevésbé erősek." Más szavakkal: a dendrit által átvett elektromos tüskék jelentősen gyengülnek, amikor a neuron sejttestébe jutnak.
Ezért Larkum és kollégái arra törekedtek, hogy felfedjék az emberi idegsejtek elektromos tulajdonságait, hogy megtudja, hogyan képesek ezek a hosszabb dendritek ténylegesen jeleket továbbítani.
Ez nem volt könnyű feladat.
Először a kutatóknak kénytelenek voltak foglalkozni az emberi agyszövetmintákkal, ami egy hírhedten szűkös forrás. A csapat az idegsejtekből az epilepsziában szenvedő betegek és a daganatos betegek agyainak elvégzésével végezte orvosi kezelését. A csapat az agykéregből kivont idegsejtekre összpontosított - az agy ráncos külső része, amely több különálló réteget tartalmaz. Az emberekben ezek a rétegek sűrű dendrithálózatokat tartalmaznak, és rendkívül vastagokká válnak, ez egy olyan tulajdonság, amely "alapvető fontosságú ahhoz, ami emberré tesz minket" - állítja a Science nyilatkozata.
"A szövetet nagyon ritkán kapják meg, tehát csak dolgozni kell azzal, ami előtt áll" - mondta Larkum. És gyorsan kell dolgoznia - tette hozzá. Az emberi testén kívül az oxigén nélkül éheztetett agysejtek csak kb. Két napig maradnak életképesek. Ennek a korlátozott időtartamnak a teljes kihasználása érdekében Larkum és csapata mindaddig összegyűjti az adott mintából a méréseket, amennyire csak lehetséges, néha 24 órán keresztül egyenesen.
A kísérleti maratonok során a csapat szeleteket vágott az agyszövetre és lyukakat dugott a benne található dendritekben. Vékony üveg pipetták becsavarásával ezeken a lyukakon a kutatók ionokat vagy töltött részecskéket injektálhatnak a dendritekbe, és megfigyelhetik, hogy ezek hogyan változnak az elektromos aktivitásban. A várakozások szerint a stimulált dendritek elektromos aktivitás tüskéket generáltak, de ezek a jelek nagyon különböztek a korábban látottaktól.
Minden tüske csak rövid ideig gyújtott - körülbelül egy milliszekundum. A rágcsáló szövetekben az ilyen típusú szupersztróp tüske akkor fordul elő, amikor a nátrium áradása bejut a dendritbe, amelyet egy bizonyos elektromos aktivitás felhalmozódása vált ki. A kalcium rágcsálók dendritjeiben is tüneteket válthat ki, de ezek a jelek általában 50-100-szor hosszabb ideig tartanak, mint a nátrium-tüskék - mondta Larkum. Amit a csapat látott az emberi szövetekben, furcsa hibridnek tűnt a kettő között.
"Noha nátrium eseménynek tűnt, valójában kalcium esemény volt" - mondta Larkum. A csapat tagjai megvizsgálták, mi történne, ha megakadályozzák a nátrium belépését a minta dendritjébe, és megállapították, hogy a tüskék továbbra is csökkennek. Sőt, a szupersztár tüskék gyorsan egymás után lőttek, egymás után. Amikor azonban a kutatók megakadályozták a kalcium bejutását az idegsejtekbe, a tüskék rövidre megálltak. A tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy egy vadonatúj tüske-osztályra botlik, amely időtartamban hasonló a nátriumhoz, de kalcium ellenőrzése alatt áll.
"Ezek másképp néznek ki, mint amit eddig ismerttünk más emlősöktől" - mondta Mayank Mehta, a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem neurológia, neurobiológiai fizika és csillagászat tanszékének professzora, aki nem vett részt a vizsgálatban. A nagy kérdés az, hogy ezek a tüskék hogyan kapcsolódnak az agy tényleges működéséhez - mondta.
Számítógépes erőművek
Larkum és kollégái nem tudták megvizsgálni, hogyan viselkednek a szeletelt mintáik az érintetlen emberi agyban, ezért az eredmények alapján számítógépes modellt készítettek. Az agyban a dendritek hosszukon keresztül jeleket kapnak a közeli neuronoktól, amelyek akár tüske létrehozására képesek, akár megakadályozzák őket. Hasonlóképpen, a csapat olyan digitális dendriteket alakított ki, amelyeket hosszúságuk alatt több ezer különböző pontból stimulálhat vagy gátolhat. A történeti tanulmányok szerint a dendritek idővel megegyeznek ezekkel az ellenkező jelekkel, és tüzet tüzet okoznak, amikor az gerjesztő jelek száma meghaladja a gátlókat.
De a digitális dendritek egyáltalán nem viselkedtek így.
"Amikor alaposan megnéztük, láthattuk, hogy van ez a furcsa jelenség" - mondta Larkum. Minél több gerjesztő jelet kapott egy dendrit, annál kevésbé volt valószínű, hogy tüskét generál. Ehelyett úgy tűnt, hogy egy adott dendritben minden régió "beállítva" reagál egy adott stimulációs szintre - nem több, nem kevesebb.
De mit jelent ez az agy tényleges működése szempontjából? Ez azt jelenti, hogy a dendritek az adatok mindegyik pontján feldolgozhatják a hosszukat, és egységes hálózatként működhetnek annak eldöntésében, hogy mely információkat kell továbbítani, melyeket dobják el, és melyeket kezelik egyedül - mondta Larkum.
"Nem tűnik úgy, hogy a cellában csak összeadódnak a dolgok - ez is eldobja a dolgokat" - mondta Mehta a Live Sciencenek. (Ebben az esetben a "dobd el" jelek olyan gerjesztő jelek lennének, amelyek nem igazodnak megfelelően a dendritikus régió "édes pontjához".) Ez a számítási szuperhatalom lehetővé teheti a dendritek számára, hogy a funkciókat átvegyék, ha azt gondolják, hogy az egész ideghálózat munkája. ; Mehta például elmélete szerint az egyes dendritek akár emlékeket is kódolhatnak.
Egyszer az idegtudósok úgy gondolták, hogy az idegsejtek egész hálózata működik együtt ezen összetett számítások elvégzésében, és úgy döntött, hogyan reagáljon csoportként. Most úgy tűnik, hogy egy egyedi dendrit önmagában végzi el ezt a pontos számítási módszert.
Lehet, hogy csak az emberi agy rendelkezik ezzel a lenyűgöző számítási képességgel, de Larkum azt mondta, hogy még túl korai azt mondani. Kollégáival meg akarja keresni ezt a titokzatos kalcium-tüskét rágcsálókban, abban az esetben, ha azt a múltbeli kutatások során figyelmen kívül hagyták. Azt is reméli, hogy együttműködik a főemlősökön végzett hasonló kutatásokkal, hogy megtudja, vajon az emberi dendritek elektromos tulajdonságai hasonlóak-e evolúciós rokonokéhoz.
Nagyon valószínűtlen, hogy ezek a tüskék teszik az embereket különlegesebbé vagy intelligensebbekké, mint más emlősök - mondta Mehta. Lehet, hogy az újfajta elektromos tulajdonság az L2 / 3 idegsejtekre jellemző az emberi agykéregben, mivel a rágcsáló agy az agy bizonyos régióiban is specifikus tüskeket hoz létre - tette hozzá.
A korábbi kutatások során a Mehta azt találta, hogy a rágcsálók dendritjei olyan különféle tüskeket generálnak, amelyek pontos funkciója ismeretlen. Érdekes, hogy ezeknek a tüskéknek csak töredéke vált ki reakciót a behelyezett sejttestben - mondta. A rágcsáló idegsejtekben a dendritikus tüskék kb. 90% -a nem vált ki elektromos jeleket a sejttestből, ami arra utal, hogy mind a rágcsálók, mind az emberek dendritjei önállóan dolgozzák fel az információkat, olyan módokon, amelyeket még nem értünk.
A tanulás és az emlékezet megértésének nagy része az idegsejttestben és annak kimeneti kábelében, az axonban létrehozott elektromos aktivitás kutatásából származik. De ezek a megállapítások arra utalnak, hogy "előfordulhat, hogy az agyban a tüskék többsége a dendritekben zajlik" - mondta Mehta. "Ezek a tüskék megváltoztathatják a tanulás szabályait."
A szerkesztő megjegyzése: Ezt a történetet január 9-én frissítették, hogy tisztázza Dr. Mayank Mehta nyilatkozatát arról, hogy az újdonságú elektromos jel lehet-e egyedi az emberekre.
