Šūnas, kas ligzdo cilvēka smadzeņu attālākajos slāņos, rada īpaša veida elektrisko signālu, kas tām varētu dot papildu jaudu skaitļošanas jaudai, liecina jauni pētījumi. Vēl vairāk, šis signāls cilvēkiem var būt unikāls - un tas, iespējams, izskaidro mūsu unikālo intelektu, norāda pētījuma autori.
Smadzeņu šūnas vai neironi savienojas ar gariem, sazarotiem vadiem un atspoles ziņojumiem gar šiem kabeļiem, lai sazinātos viens ar otru. Katrā neironā ir gan izejošais vads, ko sauc par aksonu, gan vads, kas saņem ienākošos ziņojumus, kas pazīstams kā dendrīts. Dendrīts nodod informāciju pārējam neironam caur elektriskās aktivitātes pārrāvumiem. Atkarībā no tā, kā tiek vadītas smadzenes, katrs dendrīts visā garumā var saņemt simtiem tūkstošu signālu no citiem neironiem. Kaut arī zinātnieki uzskata, ka šie elektriskie tapas palīdz smadzenēm vadīt un var būt tādas spējas kā mācīšanās un atmiņa, precīza dendritu loma cilvēka izziņā joprojām ir noslēpums.
Tagad pētnieki ir atklājuši jaunu elektrisko smaiļu aromātu cilvēku dendritos - tas, pēc viņu domām, varētu ļaut šūnām veikt aprēķinus, ja reiz šķita, ka tas ir pārāk sarežģīti, lai viens neirons varētu patstāvīgi rīkoties. Pētījumā, kas publicēts 3. janvārī žurnālā Science, norādīts, ka jaunatklātais elektriskais īpašums nekad nav novērots nevienā dzīvnieku audos, izņemot cilvēku, un tas rada jautājumu par to, vai signāls viennozīmīgi veicina cilvēka vai primātu, mūsu evolūcijas brālēni.
Dīvains signāls
Līdz šim lielākā daļa dendrīta pētījumu ir veikti grauzēju audos, kuriem ir kopīgas īpašības ar cilvēka smadzeņu šūnām, sacīja pētījuma līdzautors Metjū Larkums, Berlīnes Humbolta universitātes bioloģijas katedras profesors. Tomēr viņš sacīja, ka cilvēka neironi mēra apmēram divreiz ilgāk nekā tie, kas atrodami pelē.
"Tas nozīmē, ka elektriskajiem signāliem ir jābrauc divreiz vairāk," Larkum stāstīja Live Science. "Ja elektriskās īpašības nemainītos, tas nozīmētu, ka cilvēkiem tās pašas sinaptiskās ieejas būtu nedaudz mazāk spēcīgas." Citiem vārdiem sakot, elektriskie tapas, ko saņem dendrīts, ievērojami vājinās, kad tie sasniegs neirona šūnu ķermeni.
Tāpēc Larkums un viņa kolēģi nolēma atklāt cilvēku neironu elektriskās īpašības, lai redzētu, kā šiem garākajiem dendritiem patiesībā izdodas efektīvi nosūtīt signālus.
Tas nebija viegls uzdevums.
Pirmkārt, pētniekiem bija jāiegūst roku cilvēku smadzeņu audu paraugiem, kas ir bēdīgi slavenais resurss. Komanda medicīniskās ārstēšanas gaitā izmantoja neironus, kas bija atdalīti no epilepsijas un audzēju smadzenēm. Komanda koncentrējās uz neironiem, kas izdalīti no smadzeņu garozas, smadzeņu saburzītās ārpuses, kas satur vairākus atšķirīgus slāņus. Cilvēkiem šie slāņi satur blīvus dendrītu tīklus un izaug par ārkārtīgi bieziem - tas ir atribūts, kas var būt “fundamentāls tam, kas mūs padara par cilvēkiem”, teikts Science paziņojumā.
"Jūs saņemat audus ļoti reti, tāpēc esat tikko nācies strādāt ar to, kas ir priekšā," sacīja Larkums. Un jums jāstrādā ātri, viņš piebilda. Ārpus cilvēka ķermeņa skābekļa badā esošās smadzeņu šūnas paliek dzīvotspējīgas tikai apmēram divas dienas. Lai pilnībā izmantotu šo ierobežotā laika perioda priekšrocības, Larkum un viņa komanda apkopoja mērījumus no dotā parauga tik ilgi, cik vien iespējams, dažreiz strādājot 24 stundas taisni.
Šo eksperimentālo maratonu laikā komanda sagrieza smadzeņu audus šķēlēs un iebāza caurumus tajā esošajos dendritos. Caur šiem caurumiem uzlīmējot plānas stikla pipetes, pētnieki varēja ievadīt jonus vai lādētas daļiņas dendritos un novērot, kā tie mainās elektriskajā darbībā. Kā gaidīts, stimulētie dendrīti radīja elektriskās aktivitātes tapas, taču šie signāli izskatījās ļoti atšķirīgi no visiem iepriekš redzētajiem.
Katrs smaile aizdedzās tikai īsu laika posmu - apmēram milisekundi. Grauzēju audos šāda veida īstermiņa smaile rodas, kad nātrija plūdi nonāk dendritā, ko izraisa īpaša elektriskās aktivitātes uzkrāšanās. Kalcijs var izraisīt arī grauzēju dendrīta tapas, taču šie signāli ilgst 50 līdz 100 reizes ilgāk nekā nātrija tapas, sacīja Larkums. Tas, ko komanda redzēja cilvēka audos, šķita dīvains abu hibrīds.
"Lai arī tas izskatījās kā nātrija notikums, patiesībā tas bija notikums ar kalciju," sacīja Larkums. Komandas locekļi pārbaudīja, kas notiks, ja viņi neļaus nātrijam iekļūt parauga dendritos un atklāja, ka tapas turpina degt bez izmaiņām. Vēl vairāk - virsshorta tapas tika izšautas strauji pēc kārtas, viena pēc otras. Bet, kad pētnieki bloķēja kalcija iekļūšanu neironos, tapas nedaudz apstājās. Zinātnieki secināja, ka viņi ir pakluvuši pavisam jaunajai smailes klasei, kas pēc ilguma ir līdzīga nātrijam, bet kuru kontrolē kalcijs.
"Tie izskatās savādāk nekā tas, ko mēs līdz šim esam zinājuši no citiem zīdītājiem," sacīja Losandželosas Kalifornijas universitātes neiroloģijas, neirobioloģijas fizikas un astronomijas katedru profesors Mejans Mehta, kurš nebija iesaistīts pētījumā. Lielais jautājums ir, kā šie tapas ir saistītas ar faktisko smadzeņu darbību, viņš teica.
Skaitļošanas spēkstacijas
Larkums un viņa kolēģi nevarēja pārbaudīt, kā viņu sagriezti paraugi varētu izturēties neskartās cilvēka smadzenēs, tāpēc viņi izstrādāja datora modeli, pamatojoties uz viņu rezultātiem. Smadzenēs dendriti visā garumā saņem signālus no tuvumā esošajiem neironiem, kas var viņus virzīt, lai radītu smaili, vai neļaut viņiem to darīt. Tāpat komanda izstrādāja digitālos dendritus, kurus var stimulēt vai kavēt no tūkstošiem dažādu punktu visā to garumā. Vēsturiski pētījumi liecina, ka dendrīti laika gaitā sasaista šos pretējos signālus un izdala smaili, kad ierosinošo signālu skaits pārsniedz kavējošos signālus.
Bet digitālie dendriti šādi neuzvedās.
"Kad mēs cieši ieskatījāmies, mēs redzējām, ka ir šī dīvainā parādība," sacīja Larkums. Jo vairāk uzbudinošu signālu saņēma dendrīts, jo mazāka iespējamība, ka tas radīs smaili. Tā vietā katrs noteiktā dendrīta reģions šķita “noregulēts”, lai reaģētu uz noteiktu stimulācijas līmeni - ne vairāk, ne mazāk.
Bet ko tas nozīmē faktiskās smadzeņu darbības ziņā? Tas nozīmē, ka dendrīti var apstrādāt informāciju visos punktos visā to garumā, darbojoties kā vienots tīkls, lai izlemtu, kuru informāciju nosūtīt, kuru izmest un kuru apstrādāt atsevišķi, sacīja Larkums.
"Neizskatās, ka šūna tikai pievieno lietas - tas arī izmet lietas," Mehta stāstīja Live Science. (Šajā gadījumā signāli “izmest” būtu ierosinošie signāli, kas nav pareizi noregulēti uz dendrītiskā reģiona “saldo punktu”.) Šī skaitļošanas lielvalsts varētu dot iespēju dendritiem uzņemties funkcijas, kuras kādreiz uzskatīja par veselu neironu tīklu darbu. ; piemēram, Mehta teorizē, ka atsevišķi dendrīti varētu pat kodēt atmiņas.
Reiz neirozinātnieki domāja, ka veseli neironu tīkli strādāja kopā, lai veiktu šos sarežģītos aprēķinus, un izlēma, kā reaģēt kā grupa. Tagad šķiet, ka individuāls dendrīts tieši šo aprēķina veidu veic pats.
Var būt, ka šo iespaidīgo skaitļošanas jaudu pārvalda tikai cilvēka smadzenes, taču Larkums sacīja, ka ir pāragri droši pateikt. Viņš un viņa kolēģi vēlas meklēt šo noslēpumaino kalcija smaili grauzējiem, ja tas iepriekšējos pētījumos tika aizmirsts. Viņš arī cer sadarboties līdzīgos pētījumos ar primātiem, lai noskaidrotu, vai cilvēku dendrītu elektriskās īpašības ir līdzīgas mūsu evolūcijas radinieku īpašībām.
Ļoti maz ticams, ka šie tapas padara cilvēku īpašu vai saprātīgāku nekā citi zīdītāji, sacīja Mehta. Iespējams, ka jaunatklātais elektriskais īpašums ir raksturīgs tikai L2 / 3 neironiem cilvēka smadzeņu garozā, jo grauzēju smadzenes arī rada īpašus tapas noteiktos smadzeņu reģionos, viņš piebilda.
Iepriekšējos pētījumos Mehta atklāja, ka grauzēju dendrīti rada arī visdažādākos tapas, kuru precīza funkcija joprojām nav zināma. Interesanti ir tas, ka tikai neliela daļa šo tapas faktiski izraisa reakciju šūnas ķermenī, kurā tie tiek iesprausti, viņš teica. Grauzēju neironos aptuveni 90 procenti dendrītisko tapas nerada elektriskos signālus no šūnas ķermeņa, kas liek domāt, ka gan grauzēju, gan cilvēku dendrīti, iespējams, apstrādā informāciju neatkarīgi, tādā veidā, kādu mēs vēl nesaprotam.
Liela daļa mūsu izpratnes par mācīšanos un atmiņu rodas no elektriskās aktivitātes, kas rodas neirona šūnas ķermenī un tā izejas kabeli - aksonu, pētījumiem. Bet šie atklājumi liek domāt, ka "var būt, ka lielākā daļa smadzeņu smaiļu notiek dendritos", sacīja Mehta. "Šie smaiļi varētu mainīt mācīšanās noteikumus."
Redaktora piezīme: Šis stāsts tika atjaunināts 9. janvārī, lai precizētu Dr Mayank Mehta paziņojumu par to, vai jaunatklātais elektriskais signāls varētu būt unikāls cilvēkiem.
