Ihmisen aivojen uloimpiin kerroksiin sijoitetut solut tuottavat erityisen sähköisen signaalin, joka saattaa antaa heille ylimääräisen tehon laskentateholle, uudet tutkimukset viittaavat. Lisäksi tämä signaali voi olla ainutlaatuinen ihmisille - ja se voi selittää ainutlaatuisen älykkyytemme tutkimuksen kirjoittajien mukaan.
Aivosolut tai hermosolut yhdistyvät pitkillä, haarautuvilla johdoilla ja sukkulaviesteillä näitä kaapeleita pitkin kommunikoidakseen keskenään. Jokaisessa neuronissa on sekä lähtevä johdin, jota kutsutaan aksoniksi, että johto, joka vastaanottaa tulevia viestejä, joka tunnetaan dendriitinä. Dendriitti välittää tietoa muulle neuronille sähköisen aktiivisuuden purskeiden kautta. Aivojen kytkentätavasta riippuen kukin dendriitti voi vastaanottaa satoja tuhansia signaaleja muilta neuroneilta sen pituuden aikana. Vaikka tutkijat uskovat näiden sähköisten piikkien johtavan aivoihin ja saattavat perustaa sellaisia kykyjä kuin oppiminen ja muisti, dendriittien tarkka rooli ihmisen kognitiossa on edelleen mysteeri.
Nyt tutkijat ovat paljastaneet ihmisen dendriittien uuden sähkömaisen piikin maun - heidän mielestään se voisi antaa solujen suorittaa laskelmia, kun ajateltiin liian monimutkaisia, jotta yksi neuroni pystyisi selviytymään yksinään. Tutkimus, joka julkaistiin Science-lehdessä 3. tammikuuta, toteaa, että uutta sähköominaisuutta ei ole koskaan havaittu muissa eläinkudoksissa kuin ihmisissä, mikä herättää kysymyksen siitä, edistääkö signaali ainutlaatuisesti ihmisen älykkyyttä vai kädellisten, evoluutio serkut.
Outo signaali
Tähän saakka suurin osa dendriittitutkimuksista on tehty jyrsijäkudoksessa, jolla on perusominaisuudet ihmisen aivosolujen kanssa, sanoi tutkimuksen avustaja Matthew Larkum, Berliinin Humboldtin yliopiston biologian laitoksen professori. Ihmisen hermosolut mittaavat kuitenkin noin kaksi kertaa niin kauan kuin hiiressä löytyvät, hän sanoi.
"Tämä tarkoittaa sitä, että sähköisten signaalien on kuljettava kaksi kertaa niin pitkälle", Larkum kertoi Live Science: lle. "Jos sähköisissä ominaisuuksissa ei tapahtunut muutoksia, se tarkoittaisi, että ihmisillä samat synaptiset tulot olisivat hieman vähemmän tehokkaita." Toisin sanoen dendriitin vastaanottamat sähköpiikit heikkenisivät merkittävästi, kun ne saavuttaisivat neuronin solun.
Joten Larkum ja hänen kollegansa pyrkivät paljastamaan ihmisneuronien sähköiset ominaisuudet nähdäkseen, kuinka nämä pidemmät dendriitit todella pystyvät lähettämään signaaleja tehokkaasti.
Tämä ei ollut helppo tehtävä.
Ensinnäkin tutkijoiden piti saada käsiinsä ihmisen aivokudosnäytteet, jotka ovat pahamaineisesti niukkaa resurssi. Ryhmä päätyi käyttämään neuroneja, jotka oli leikattu epilepsia- ja kasvainpotilaiden aivoista osana lääketieteellistä hoitoa. Ryhmä keskittyi neuroneihin, jotka on poistettu aivokuoresta, aivojen ryppyisestä ulkopinnasta, joka sisältää useita erillisiä kerroksia. Ihmisillä nämä kerrokset pitävät tiheitä dendriittiverkostoja ja kasvavat erittäin paksuiksi, ominaisuus, joka voi olla "perustavanlaatuinen sille, joka tekee meistä ihmisiä", Science: n lausunnon mukaan.
"Saat kudoksen hyvin harvoin, joten sinun on vain työskenneltävä edessäsi olevan kanssa", Larkum sanoi. Ja sinun on työskenneltävä nopeasti, hän lisäsi. Ihmisen kehon ulkopuolella happea nälkäiset aivosolut pysyvät elinkykyisinä vain noin kaksi päivää. Tämän rajoitetun ajanjakson hyödyntämiseksi Larkum ja hänen tiiminsä keräsivät mittauksia tietystä näytteestä niin kauan kuin pystyivät, työskenteleen joskus 24 tuntia suoraan.
Näiden kokeellisten maratonien aikana joukkue leikkasi aivokudoksen viipaleiksi ja pisti reikiä sisällä oleviin dendriitteihin. Kiinnittämällä ohuet lasipipetit näiden reikien läpi, tutkijat voivat injektoida ioneja tai varautuneita hiukkasia dendriitteihin ja tarkkailla kuinka ne muuttuivat sähköisessä aktiivisuudessa. Kuten odotettiin, stimuloidut dendriitit tuottivat sähkön aktiivisuuden piikkejä, mutta nämä signaalit näyttivät hyvin erilaisilta kuin aikaisemmin nähty.
Jokainen piikki syttyi vain lyhyen ajan - noin millisekunnin. Jyrsijäkudoksessa tämäntyyppinen ylin lyhyt piikki esiintyy, kun natriumvirta pääsee dendriittiin, jonka laukaisee tietty sähköisen aktiivisuuden kertyminen. Kalsium voi myös laukaista jyrsijöiden dendriittien piikkejä, mutta nämä signaalit kestävät yleensä 50–100 kertaa pidempään kuin natriumpiikit, Larkum sanoi. Se mitä joukkue näki ihmisen kudoksessa, näytti kuitenkin olevan kummallinen hybridi näistä kahdesta.
"Vaikka se näytti natriumtapahtumalta, se oli itse asiassa kalsiumtapahtuma", Larkum sanoi. Ryhmän jäsenet testasivat mitä tapahtuisi, jos he estäisivät natriumia pääsemästä näytteen dendriitteihinsä ja totesivat, että piikit jatkoivat tulipaloaan ennallaan. Lisäksi supershort-piikit ampuivat nopeasti peräkkäin, peräkkäin. Mutta kun tutkijat estävät kalsiumin pääsyn neuroneihin, piikit pysähtyivät lyhyeksi. Tutkijat päättelivät, että he olivat kompastelleet aivan uudelle piikkiluokalle, joka on kestoltaan samanlainen kuin natrium, mutta jota kontrolloi kalsium.
"Nämä näyttävät erilaisilta kuin mitä olemme tähän mennessä tunteneet muista nisäkkäistä", sanoi Mayank Mehta, Los Angelesin Kalifornian yliopiston neurologian, neurobiologian fysiikan ja tähtitieteen laitoksen professori, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. Suuri kysymys on, kuinka nämä piikit liittyvät todelliseen aivojen toimintaan, hän sanoi.
Laskennalliset voimalat
Larkum ja hänen kollegansa eivät voineet testata, kuinka viipaloidut näytteet voivat käyttäytyä ehjissä ihmisen aivoissa, joten ne tekivät tulosten perusteella tietokonemallin. Aivoissa dendriitit vastaanottavat signaaleja koko pituudeltaan lähellä olevista neuroneista, jotka voivat joko työntää niitä piikin luomiseksi tai estää heitä tekemästä niin. Samoin ryhmä suunnitteli digitaalisia dendriittejä, joita voidaan stimuloida tai estää tuhansista eri pisteistä niiden pituudeltaan. Historiallisesti tutkimukset viittaavat siihen, että dendriitit laskevat nämä vastakkaiset signaalit ajan myötä ja laukaisevat piikin, kun herättävien signaalien lukumäärä ylittää estävät signaalit.
Mutta digitaaliset dendriitit eivät käyttäytyneet lainkaan tällä tavalla.
"Kun tarkastelimme tarkkaan, voimme nähdä, että siellä oli tämä outo ilmiö", Larkum sanoi. Mitä enemmän herättäviä signaaleja dendriitti sai, sitä epätodennäköisempi se oli piikin muodostaminen. Sen sijaan jokainen tietyn dendriitin alue näytti "viritetyltä" vastaamaan tiettyyn stimulaatiotasoon - ei enempää, ei vähemmän.
Mutta mitä tämä tarkoittaa todellisessa aivojen toiminnassa? Se tarkoittaa, että dendriitit voivat käsitellä tietoja jokaisessa pisteessä niiden pituudelta, työskentelemällä yhtenäisenä verkkona päättääkseen, mitkä tiedot lähetetään pitkin, mitkä hävitetään ja mitkä käsitellään yksin, Larkum sanoi.
"Ei näytä siltä, että solu lisää vain asioita - se myös heittää asiat pois", Mehta kertoi Live Science: lle. (Tässä tapauksessa "heittää pois" -signaalit olisivat herättäviä signaaleja, joita ei ole oikein viritetty dendriittisen alueen "makeaan pisteeseen".) Tämä laskennallinen supervoima voisi antaa dendriitille mahdollisuuden ryhtyä toimintoihin, kun ajatellaan olevan koko hermostoverkkojen työ. ; esimerkiksi Mehta teoretisoi, että yksittäiset dendriitit voisivat jopa koodata muistoja.
Kerran neurotieteilijät ajattelivat, että kokonaiset neuroniverkot työskentelivät yhdessä näiden monimutkaisten laskelmien suorittamiseksi ja päättivät miten reagoida ryhmänä. Nyt näyttää siltä, että yksittäinen dendriitti suorittaa tämän tarkan laskutyypin yksinään.
Voi olla, että vain ihmisen aivoilla on tämä vaikuttava laskentateho, mutta Larkumin mukaan on liian aikaista sanoa varmasti. Hän ja hänen kollegansa haluavat etsiä tätä salaperäistä kalsiumpiikkää jyrsijöiltä, mikäli se on jätetty huomiotta aiemmassa tutkimuksessa. Hän toivoo myös tekevänsä yhteistyötä vastaavissa tutkimuksissa kädellisissä nähdäkseen, ovatko ihmisen dendriittien sähköominaisuudet samanlaiset kuin evoluutio sukulaisillamme.
On hyvin epätodennäköistä, että nämä piikit tekevät ihmisistä erityisiä tai älykkäämpiä kuin muut nisäkkäät, Mehta sanoi. Voi olla, että uusi löydetty sähköominaisuus on ainutlaatuinen ihmisen aivokuoren L2 / 3-neuronien kanssa, koska jyrsijöiden aivot tuottavat myös erityisiä piikkejä tietyillä aivoalueilla, hän lisäsi.
Aikaisemmassa tutkimuksessa Mehta havaitsi, että jyrsijöiden dendriitit tuottavat myös monenlaisia piikkejä, joiden tarkka toiminta on edelleen tuntematon. Mielenkiintoista on, että vain murto-osa näistä piikkeistä todella laukaisee reaktion solurungossa, johon ne kiinnitetään, hän sanoi. Jyrsijöiden hermosoluissa noin 90 prosenttia dendriittisistä piikkeistä ei kehota sähkösignaaleja solurungosta, mikä viittaa siihen, että sekä jyrsijöiden että ihmisten dendriitit voivat käsitellä tietoja itsenäisesti tavoilla, joita emme vielä ymmärrä.
Suuri osa oppimisen ja muistin ymmärryksestämme syntyy tutkimuksesta hermosolukennon ja sen lähtökaapelin, aksonin, synnyttämästä sähköisestä aktiivisuudesta. Mutta nämä havainnot viittaavat siihen, että "voi olla, että suurin osa aivojen piikkeistä tapahtuu dendriiteissä", Mehta sanoi. "Nuo piikit voivat muuttaa oppimisen sääntöjä."
Toimittajan huomautus: Tämä tarina päivitettiin 9. tammikuuta selventääkseen tohtori Mayank Mehtan lausuntoa siitä, voisiko uusi löydetty sähkösignaali olla ainutlaatuinen ihmisille.
