Nova istraživanja pokazuju da ćelije smještene u najudaljenijim slojevima ljudskog mozga generirati posebnu vrstu električnog signala koja bi im mogla pružiti dodatno pojačanje računalne snage. Nadalje, ovaj signal može biti jedinstven za ljude - i može objasniti našu jedinstvenu inteligenciju, tvrde autori studije.
Stanice mozga ili neuroni povezuju se dugačkim razgranatim žicama i porukama duž ovih kablova kako bi međusobno komunicirali. Svaki neuron ima i odlaznu žicu, koja se naziva akson, i žicu koja prima dolazne poruke, poznatu kao dendrit. Dendrit prenosi informacije na ostatak neurona kroz navale električne aktivnosti. Ovisno o tome kako je mozak oživljen, svaki dendrit može primati stotine tisuća signala od drugih neurona duž njegove dužine. Iako znanstvenici vjeruju da ovi električni šiljci pomažu živjeti mozak i podupiru sposobnosti poput učenja i pamćenja, točna uloga dendrita u ljudskoj spoznaji ostaje misterija.
Sada, istraživači su otkrili novi okus električnog šiljaka u ljudskim dendritima - jedan za koji misle da bi mogao omogućiti stanica da izvršavaju račune za koje je nekoć smatrao da su previše složene da bi se jedan neuron mogao sam uhvatiti u koštac. Studija, objavljena 3. siječnja u časopisu Science, primjećuje da novootkriveno električno svojstvo nikada nije primijećeno u bilo kojem životinjskom tkivu osim ljudskog, što postavlja pitanje može li signal jedinstveno pridonijeti ljudskoj inteligenciji ili primatu, našem evolucijski rođaci.
Čudan signal
Do sada je većina dendritskih studija provedena na tkivu glodavaca, koje dijeli osnovna svojstva s ljudskim stanicama mozga, rekao je suautor studije Matthew Larkum, profesor na odsjeku za biologiju na Sveučilištu Humboldt u Berlinu. Međutim, ljudski neuroni mjere otprilike dvostruko duže nego oni koji se nalaze u miša, rekao je.
"To znači da električni signali moraju putovati dvostruko više", rekao je Larkum za Live Science. "Da nije bilo promjene električnih svojstava, to bi značilo da bi kod ljudi isti sinaptički ulazi bili malo manje moćni." Drugim riječima, električni šiljci primljeni od dendrita značajno bi oslabili do trenutka kada su stigli do staničnog tijela neurona.
Tako su Larkum i njegovi kolege krenuli otkrivati električna svojstva ljudskih neurona kako bi vidjeli kako ovi duži dendriti zapravo uspijevaju učinkovito slati signale.
To nije bio lak zadatak.
Prvo, istraživači su morali istražiti uzorke ljudskog tkiva mozga, notorno oskudni resurs. Tim je koristio neurone koji su bili odsječeni iz mozga pacijenata s epilepsijom i tumora kao dio njihovog liječenja. Tim se fokusirao na neurone resecirane iz moždane kore, naborane vanjske strane mozga koja sadrži nekoliko različitih slojeva. U ljudima ovi slojevi drže gustu mrežu dendrita i postaju izuzetno gusti, što je atribut koji može biti "od temeljne važnosti za ono što nas čini ljudima", navodi se u izjavi Science.
"Dobivate tkivo vrlo rijetko, tako da jednostavno morate raditi s onim što je pred vama", rekao je Larkum. A morate brzo raditi, dodao je. Izvan ljudskog tijela, moždane stanice izgladnjele kisikom ostaju održive samo oko dva dana. Da bi u potpunosti iskoristili taj ograničeni vremenski okvir, Larkum i njegov tim prikupljali bi mjerenja s određenog uzorka onoliko dugo koliko su mogli, ponekad radeći ravno 24 sata.
Tijekom ovih eksperimentalnih maratona, tim je usitnio moždano tkivo na kriške i probio rupe u dendritima koji su unutar njih. Gurkajući tanke staklene pipete kroz ove rupe, istraživači su mogli ubrizgati ione ili nabijene čestice u dendrite i promatrati kako se mijenjaju u električnoj aktivnosti. Kao što se očekivalo, stimulirani dendriti stvorili su šiljke električne aktivnosti, ali ti su signali izgledali vrlo različito od ikada viđenih.
Svaka je šiljka zapalila samo kratko vrijeme - oko milisekunde. U tkivu glodavaca, ova vrsta naglog kočenja nastaje kada poplava natrija uđe u dendrit, potaknuta posebnim akumulacijom električne aktivnosti. Kalcij također može potaknuti šiljke u dendritima glodavaca, ali ti signali obično traju 50 do 100 puta duže od natrijevih bodlji, rekao je Larkum. Međutim, ono što je tim vidio u ljudskom tkivu činilo se kao čudan hibrid ove dvojice.
"Iako je to izgledalo kao događaj natrija, zapravo je bio događaj s kalcijem", rekao je Larkum. Članovi tima testirali su što će se dogoditi ako spriječe natrij da uđe u uzorke dendrita i otkrili su da ubodi i dalje pucaju bez prestanka. Nadalje, supershort šiljci pucali su brzo, jedan za drugim. Ali kada su istraživači blokirali ulazak kalcija u neurone, šiljci su prestali kratki. Znanstvenici su zaključili da su naišli na potpuno novu klasu šiljaka, koja je po dužini slična natrijumu, ali kontrolirana kalcijem.
"Oni izgledaju drugačije od onoga što smo do sada poznavali od drugih sisavaca", rekao je Mayank Mehta, profesor na odjelima neurologije, neurobiološke fizike i astronomije na Sveučilištu Kalifornija u Los Angelesu, koji nije bio uključen u studiju. Veliko je pitanje kako se ti šiljci odnose na stvarne moždane funkcije, rekao je.
Računarske elektrane
Larkum i njegovi kolege nisu mogli testirati kako se njihovi narezani uzorci mogu ponašati u netaknutom ljudskom mozgu, pa su napravili računalni model na temelju svojih rezultata. U mozgu dendriti primaju signale po svojoj dužini od obližnjih neurona koji ih mogu ili gurnuti da generiraju šiljak ili ih spriječe u tome. Slično tome, tim je dizajnirao digitalne dendrite koji se mogu stimulirati ili inhibirati na tisuće različitih točaka duž njihove dužine. Povijesno, istraživanja pokazuju da dendriti s vremenom povećavaju te suprotstavljene signale i ispaljuju šiljak kada broj pobudnih signala nadmaši inhibitorne.
No digitalni se dendriti uopće nisu ponašali ovako.
"Kad smo pažljivo pogledali, mogli smo vidjeti da postoji ta neobična pojava", rekao je Larkum. Što je više uzbudnih signala primljeno dendrita, to je manja vjerojatnost da će on stvoriti šiljak. Umjesto toga, činilo se da je svaka regija u datom dendritu "podešena" da reagira na određenu razinu stimulacije - ni više, ni manje.
Ali što to znači u smislu stvarne moždane funkcije? To znači da dendriti mogu obrađivati informacije u svakoj točki dužine, radeći kao objedinjena mreža da bi odlučili koje informacije poslati, koje odbaciti i koje sami tretirati, rekao je Larkum.
"Ne čini se da ćelija samo dodaje stvari - već i baca stvari", rekao je Mehta za Live Science. (U ovom slučaju, "bacajući" signali bili bi uzbudni signali koji nisu pravilno podešeni na "slatko mjesto" dendritičke regije.) Ova bi računska supersila mogla omogućiti dendritima da preuzmu funkcije za koje se nekoć smatralo da su djelo čitavih neuronskih mreža ; na primjer, Mehta teoretizira da bi pojedini dendriti čak mogli šifrirati uspomene.
Jednom su neuroznanstvenici pomislili da čitave mreže neurona rade zajedno kako bi izvršili ove složene proračune i odlučili kako odgovoriti kao grupa. Eto, čini se kao da pojedinačni dendrit izrađuje tačan tip izračuna sve sam.
Može biti da samo ljudski mozak posjeduje ovu impresivnu računsku moć, ali Larkum je rekao da je prerano reći sa sigurnošću. On i njegove kolege žele potražiti ovaj misteriozni šiljak kalcija u glodavaca, u slučaju da je u zaboravu u prošlim istraživanjima. Također se nada da će surađivati na sličnim studijama na primatima kako bi utvrdio jesu li električna svojstva ljudskih dendrita slična onima naših evolucijskih rođaka.
"Malo je vjerojatno da ti šiljci čine ljude posebnim ili inteligentnijim od ostalih sisara", rekao je Mehta. Može biti da je novootkriveno električno svojstvo jedinstveno za L2 / 3 neurone u ljudskoj moždanoj kore, jer mozak glodara također proizvodi određene šiljke u određenim regijama mozga, dodao je.
U prošlim istraživanjima, Mehta je otkrio da dendriti glodavaca također stvaraju širok izbor šiljaka čija točna funkcija ostaje nepoznata. Ono što je zanimljivo je da samo djelić tih bodlji zapravo izaziva reakciju u staničnom tijelu u koje se ubacuju, rekao je. U neuronima glodavaca, otprilike 90 posto dendritičnih šiljaka ne potiče električne signale iz staničnog tijela, što sugerira da dendriti i kod glodavaca i kod ljudi mogu samostalno obraditi informacije na načine koje još ne razumijemo.
Veliki dio našeg razumijevanja učenja i pamćenja proizlazi iz istraživanja električne aktivnosti generirane u tijelu neuronske stanice i njenog izlaznog kabela, aksona. Ali ovi nalazi sugeriraju da je "moguće da se većina šiljaka u mozgu događa u dendritima", rekao je Mehta. "Ti bi šiljci mogli promijeniti pravila učenja."
Napomena urednika: Ova je priča ažurirana 9. siječnja kako bi se razjasnila izjava dr. Mayanka Mehte o tome može li novootkriveni električni signal biti jedinstven za ljude.
