Нова истраживања показују да ћелије смештене у најудаљенијим слојевима људског мозга генеришу посебну врсту електричног сигнала који би им могао пружити додатно појачање рачунарске снаге. Штавише, овај сигнал може бити јединствен за људе - и може објаснити нашу јединствену интелигенцију, тврде аутори студије.
Ћелије мозга, или неурони, повезују се дугачким разгранатим жицама и порукама дуж ових каблова да би међусобно комуницирали. Сваки неурон има и одлазну жицу, која се назива аксон, и жицу која прима долазне поруке, познате као дендрит. Дендрит преноси информације остатку неурона кроз навале електричне активности. Зависно од начина на који је мозак оживљен, сваки дендрит може примити стотине хиљада сигнала од других неурона дуж његове дужине. Иако научници верују да ови електрични шиљци помажу да оживите мозак и подупиру способности попут учења и памћења, тачна улога дендрита у људској спознаји остаје мистерија.
Сада, истраживачи су открили нови укус електричног шиљака у људским дендритима - онај за који сматрају да би могао да омогући ћелијама да извршавају рачунања која су се некад сматрала превише сложеним да би се један неурон могао сам борити. Студија, објављена 3. јануара у часопису Сциенце, примећује да новооткривено електрично својство никада није примећено у било којем животињском ткиву осим људског, што поставља питање да ли сигнал јединствено доприноси људској интелигенцији или оном примата, нашем еволуцијски рођаци.
Чудан сигнал
До сада је већина дендрита проведена на ткиву глодара, које дијели основна својства с људским ћелијама мозга, рекао је коаутор студије Маттхев Ларкум, професор на одсјеку за биологију на Универзитету Хумболдт у Берлину. Међутим, људски неурони мере око дупло дуже него они који се налазе код миша, рекао је.
"То значи да електрични сигнали морају да путују два пута далеко", рекао је Ларкум за Ливе Сциенце. "Да нема промене електричних својстава, то би значило да би код људи исти синаптички улази били мало мање моћни." Другим речима, електрични шиљци примљени од дендрита значајно би ослабили до тренутка када су стигли до ћелијског тела неурона.
Тако су Ларкум и његове колеге кренули да открију електрична својства људских неурона како би видели како ови дужи дендрити заправо успевају да ефективно шаљу сигнале.
То није био лак задатак.
Прво, истраживачи су морали да пронађу узорке људског ткива мозга, злогласно оскудан ресурс. Тим је на крају користио неуроне који су били одсечени из мозга пацијената са епилепсијом и тумора као део њиховог лечења. Тим се фокусирао на неуроне ресетиране из мождане коре, наборане спољашњости мозга, која садржи неколико различитих слојева. У људима ови слојеви држе густу мрежу дендрита и постају изузетно густи, што је атрибут који може бити „темељни за оно што нас чини људима“, наводи се у саопштењу Сциенце.
"Добивате ткиво веома ретко, тако да једноставно морате радити са оним што је пред вама", рекао је Ларкум. А морате брзо да радите, додао је. Изван људског тела, мождане ћелије са гладним кисеоником остају способне да живе само око два дана. Да би у потпуности искористили тај ограничени временски оквир, Ларкум и његов тим би прикупљали мерења са датог узорка онолико дуго колико су могли, понекад радећи и по 24 сата.
Током ових експерименталних маратона, тим је исекао мождано ткиво на кришке и пробушио рупе у дендритима који су садржани у њему. Гуркајући танке стаклене пипете кроз ове рупе, истраживачи су могли убризгати ионе или набијене честице у дендрите и посматрати како се мењају у електричној активности. Као што се очекивало, стимулисани дендрити створили су шиљке електричне активности, али ти су сигнали изгледали врло различито од икада виђених.
Свака кичма се запалила само накратко - око милисекунде. У ткиву глодара, ова врста суперсхортне шиљке настаје када поплава натријума уђе у дендрит, потакнута посебним накупљањем електричне активности. Калцијум такође може да изазове клице у дендритима глодара, али ти сигнали обично трају 50 до 100 пута дуже од натријумских шиљака, рекао је Ларкум. Међутим, оно што је тим видео у људском ткиву чинило се као чудан хибрид ове двојице.
„Иако је то изгледало као догађај са натријумом, заправо је био догађај са калцијумом“, рекао је Ларкум. Чланови тима тестирали су шта би се догодило ако спрече да натријум уђе у узорке дендрита и открили су да шиљци и даље пуцају без престанка. Штавише, суперсхорт шиљци су испаљивали брзо, један за другим. Али када су истраживачи блокирали калцијум да уђе у неуроне, шиљци су престали. Научници су закључили да су наишли на потпуно нову класу шиљка, која је по дужини слична натријуму, али контролисана калцијумом.
"Они изгледају другачије од онога што смо до сада познавали од других сисара", рекао је Маианк Мехта, професор на одсецима за неурологију, неуробиолошку физику и астрономију на Калифорнијском универзитету у Лос Анђелесу, који није био укључен у студију. Велико је питање како се ови шиљци односе на стварну функцију мозга, рекао је.
Рачунарске електране
Ларкум и његове колеге нису могли тестирати како се њихови резани узорци могу понашати у нетакнутом људском мозгу, па су направили рачунарски модел на основу својих резултата. У мозгу дендрити примају сигнале по својој дужини од оближњих неурона који их могу или гурнути да створе шпиц или спречити да то ураде. Слично томе, тим је дизајнирао дигиталне дендрите који се могу стимулисати или инхибирати на хиљаде различитих тачака дуж њихове дужине. Историјски, студије сугеришу да дендрити с временом повећавају ове супротстављене сигнале и активирају шиљак када број побудних сигнала надмаши инхибиторне.
Али дигитални дендрити се уопште нису понашали овако.
"Када смо пажљиво погледали, видели смо да постоји овај необичан феномен", рекао је Ларкум. Што је више узбудних сигнала примљено дендрита, то је мања вероватноћа да он генерише шпиц. Уместо тога, сваки регион у датом дендриту изгледао је "подешен" да одговори на одређени ниво стимулације - ни више, ни мање.
Али шта то значи у смислу стварне функције мозга? То значи да дендрити могу обрађивати информације у свакој тачки дужине, радећи као обједињена мрежа да би одлучили које информације послати, које одбацити и које сами третирати, рекао је Ларкум.
"Не изгледа да ћелија само додаје ствари - већ и то баца", рекао је Мехта за Ливе Сциенце. (У овом случају, „бацајући“ сигнали били би узбудљиви сигнали који нису правилно подешени на „слатко место“ дендритичке регије.) Ова рачунска велесила могла би омогућити дендритима да преузму функције за које се некоћ сматрало да делују читавим неуронским мрежама ; на пример, Мехта теоретизира да би поједини дендрити чак могли да кодирају сећања.
Једном су неурознанственици помислили да су читаве мреже неурона заједно радиле на извршавању ових сложених израчунавања и одлучиле су како да реагују као група. Чини се да појединачни дендрит врши тачан тип израчуна све сам.
Може бити да само људски мозак поседује импресивну рачунску моћ, али Ларкум је рекао да је још рано то сигурно рећи. Он и његове колеге желе да потраже овај мистериозни шиљак калцијума код глодара, у случају да је у претходним истраживањима занемарен. Такође се нада да ће сарађивати на сличним студијама на приматима како би утврдио да ли су електрична својства људских дендрита слична онима наших рођака у еволуцији.
Мехта је рекао да је мало вероватно да ти типови чине људе посебним или интелигентнијим од осталих сисара. Може бити да је новооткривено електрично својство јединствено за Л2 / 3 неурона у можданој коре човека, јер мозак глодара такође производи специфичне шиљке у одређеним регионима мозга, додао је.
У прошлим истраживањима Мехта је открио да дендрити глодара такође стварају широк избор шиљака чија тачна функција остаје непозната. Оно што је занимљиво је да само делић ових бодљи заправо изазива реакцију у ћелијском телу у које се убацују, рекао је. У неуронима глодара отприлике 90 процената дендритичних шиљака не избацује електричне сигнале из ћелијског тела, што сугерише да дендрити и код глодара и код људи могу независно да обрађују информације, на начине које још увек не разумемо.
Велики део нашег разумевања учења и памћења произлази из истраживања електричне активности генерисане у телу ћелије неурона и његовог излазног кабла, аксона. Али ови налази сугерирају да је "могуће да се већина шиљака у мозгу дешава код дендрита", рекао је Мехта. "Ти би типови могли да промене правила учења."
Напомена уредника: Ова прича је ажурирана 9. јануара како би се разјаснила изјава др Маианка Мехте о томе да ли новооткривени електрични сигнал може бити јединствен за људе.
