Celler som ligger inbäddade i de yttersta lagren av den mänskliga hjärnan genererar en speciell typ av elektrisk signal som kan ge dem ett extra uppsving av datorkraft, tyder ny forskning. Dessutom kan denna signal vara unik för människor - och kan förklara vår unika intelligens, enligt studieförfattarna.
Hjärnceller, eller neuroner, kopplas upp genom långa, förgrenande ledningar och skyttelmeddelanden längs dessa kablar för att kommunicera med varandra. Varje neuron har både en utgående tråd, kallad en axon, och en tråd som tar emot inkommande meddelanden, känd som en dendrit. Dendriten vidarebefordrar information till resten av nervcellen genom utbrott av elektrisk aktivitet. Beroende på hur hjärnan är kopplad kan varje dendrit ta emot hundratusentals signaler från andra nervceller längs dess längd. Medan forskare tror att dessa elektriska spikar hjälper till att leda hjärnan och kan ligga till grund för förmågor som lärande och minne, förblir den exakta rollen för dendriter i mänsklig kognition ett mysterium.
Nu har forskare upptäckt en ny smak av elektrisk pigg hos mänskliga dendriter - en som de tror kan låta cellerna utföra beräkningar en gång tänkt för komplex för att en enda neuron kan hantera på egen hand. Studien, som publicerades 3 januari i tidskriften Science, konstaterar att den nyfundna elektriska egenskapen aldrig har observerats i någon annan djurvävnad än människa, vilket väcker frågan om signalen unikt bidrar till mänsklig intelligens eller till primater, vår evolutionära kusiner.
En konstig signal
Fram till nu har de flesta dendritstudier genomförts i gnagarvävnad, som delar grundläggande egenskaper med mänskliga hjärnceller, säger studiens medförfattare Matthew Larkum, professor vid biologiska institutionen vid Humboldt University i Berlin. Men mänskliga nervceller mäter ungefär dubbelt så länge som de som finns i en mus, sade han.
"Det betyder att de elektriska signalerna måste resa två gånger så långt," sa Larkum till Live Science. "Om det inte skedde någon förändring i de elektriska egenskaperna, skulle det innebära att samma synaptiska ingångar hos människorna skulle vara ganska mindre kraftfulla." Med andra ord skulle elektriska spikar som mottagits av en dendrit försvagas avsevärt när de nådde nervkroppens cellkropp.
Så Larkum och hans kollegor försökte avslöja de elektriska egenskaperna hos mänskliga nervceller för att se hur dessa längre dendriter faktiskt lyckas skicka signaler effektivt.
Detta var ingen lätt uppgift.
Först måste forskarna få tag på mänskliga hjärnvävnadsprover, en notorisk knapp resurs. Teamet slutade använda neuroner som hade skivats från hjärnan hos epilepsi och tumörpatienter som en del av deras medicinska behandling. Teamet fokuserade på neuroner resekterade från hjärnbarken, det skrynkliga utsidan av hjärnan som innehåller flera olika lager. Hos människor har dessa lager täta nätverk av dendriter och växer till att vara extremt tjocka, ett attribut som kan vara "grundläggande för det som gör oss mänskliga", enligt ett uttalande från Science.
"Du får vävnaden väldigt sällan, så du måste bara arbeta med det som ligger framför dig", sa Larkum. Och du måste arbeta snabbt, tillade han. Utanför människokroppen förblir de syresultade hjärncellerna bara livskraftiga i cirka två dagar. För att dra full nytta av detta begränsade tidsfönster samlade Larkum och hans team mätningar från ett visst prov så länge de kunde, ibland arbetade i 24 timmar i sträck.
Under dessa experimentella maraton, hackade teamet hjärnvävnad i skivor och hackade hål i dendriterna som finns inne i. Genom att fästa tunna glaspipetter genom dessa hål kunde forskarna injicera joner, eller laddade partiklar, i dendriterna och observera hur de förändrades i elektrisk aktivitet. Som förväntat genererade de stimulerade dendriterna toppar av elektrisk aktivitet, men dessa signaler såg mycket annorlunda ut än sett tidigare.
Varje spik antändes bara en kort tid - ungefär ett millisekund. I gnagarvävnad inträffar denna typ av supershortspik när en flod av natrium kommer in i en dendrit, utlöst av en viss ansamling av elektrisk aktivitet. Kalcium kan också utlösa piggar i gnagardendriter, men dessa signaler tenderar att vara 50 till 100 gånger längre än natriumspikar, sade Larkum. Men vad teamet såg i mänsklig vävnad verkade vara en konstig hybrid av de två.
"Även om det såg ut som en natriumhändelse, var det faktiskt en kalciumhändelse," sade Larkum. Teammedlemmarna testade vad som skulle hända om de förhindrade natrium från att komma in i deras provdendriter och upptäckte att piggarna fortsatte att avfyra utan dröjsmål. Dessutom sköt supershortspikarna snabbt i följd, den ena efter den andra. Men när forskarna blockerade kalcium från att komma in i nervcellerna stannade spikarna kort. Forskarna drog slutsatsen att de hade snubblat över en helt ny klass av spik, en som varaktigt lik natrium men kontrollerad av kalcium.
"Dessa ser annorlunda ut än vad vi har känt hittills från andra däggdjur," sade Mayank Mehta, professor vid avdelningarna för neurologi, neurobiologisk fysik och astronomi vid University of California, Los Angeles, som inte deltog i studien. Den stora frågan är hur dessa spikar relaterar till själva hjärnfunktionen, sade han.
Beräkningskraftverk
Larkum och hans kollegor kunde inte testa hur deras skivade prover kan uppträda i en intakt mänsklig hjärna, så de konstruerade en datormodell baserat på deras resultat. I hjärnan får dendriter signaler längs sin längd från närliggande nervceller som antingen kan driva dem att generera en spik eller förhindra dem från att göra det. På samma sätt designade teamet digitala dendriter som kan stimuleras eller hämmas från tusentals olika punkter längs deras längder. Historiskt tyder studier på att dendriter överensstämmer med dessa motsatta signaler över tid och avfyrar en spik när antalet excitatoriska signaler överstiger de hämmande.
Men de digitala dendriterna uppträdde inte alls på detta sätt.
"När vi tittade noga såg vi att det fanns detta konstiga fenomen," sade Larkum. Ju mer spännande signaler en dendrit fick, desto mindre troligt var det att generera en spik. Istället verkade varje region i en viss dendrit "inställd" för att svara på en specifik stimulansnivå - inte mer, inte mindre.
Men vad betyder detta när det gäller den faktiska hjärnfunktionen? Det betyder att dendriter kan bearbeta information vid varje punkt längs sin längd och arbeta som ett enhetligt nätverk för att bestämma vilken information som ska skickas, vilken som ska kasseras och vilken man ska hantera ensam, sa Larkum.
"Det ser inte ut att cellen bara lägger till saker - den kastar också saker," berättade Mehta till Live Science. (I detta fall skulle "kasta bort" -signalerna vara väckande signaler som inte är rätt inställda på den dendritiska regionens "söta fläck.") Denna beräkningssuperkraft kan göra det möjligt för dendriter att ta på sig funktioner som en gång anses vara hela neurala nätverk. ; till exempel teoretiserar Mehta att enskilda dendriter till och med kan koda minnen.
En gång trodde neurovetenskapsmän att hela nätverk av neuroner arbetade tillsammans för att utföra dessa komplexa beräkningar och bestämde sig för hur man skulle reagera som grupp. Nu verkar det som om en individuell dendrit gör denna exakta typ av beräkning på egen hand.
Det kan vara så att bara den mänskliga hjärnan har denna imponerande beräkningskraft, men Larkum sa att det är för tidigt att säga säkert. Han och hans kollegor vill söka efter denna mystiska kalciumspik i gnagare, om den har förbises i tidigare forskning. Han hoppas också kunna samarbeta om liknande studier i primater för att se om de elektriska egenskaperna hos mänskliga dendriter liknar de hos våra evolutionära släktingar.
Det är mycket osannolikt att dessa toppar gör människor speciella eller mer intelligenta än andra däggdjur, sade Mehta. Det kan vara så att den nyfundna elektriska egenskapen är unik för L2 / 3-nervceller i den mänskliga hjärnbarken, eftersom gnagarhjärnan också producerar specifika spikar i vissa delar av hjärnan, tillade han.
I tidigare forskning fann Mehta att gnagardendriter också genererar en mängd olika spikar vars exakta funktion förblir okänd. Det intressanta är att bara en bråkdel av dessa spikar faktiskt utlöser en reaktion i cellkroppen de ansluter till, sade han. I gnagareuroner uppmanar ungefär 90 procent av dendritspikar inte elektriska signaler från cellkroppen, vilket antyder att dendriter i både gnagare och människor kan behandla information oberoende, på sätt som vi ännu inte förstår.
Mycket av vår förståelse för lärande och minne härrör från forskning om elektrisk aktivitet som genereras i neuroncellkroppen och dess utgångskabel, axon. Men dessa fynd tyder på att "det kan vara så att majoriteten av piggarna i hjärnan kan äga rum i dendriterna," sade Mehta. "Dessa spikar kan ändra lärandets regler."
Redaktörens anmärkning: Den här berättelsen uppdaterades den 9 januari för att klargöra ett uttalande från Dr. Mayank Mehta om huruvida den nyfundna elektriska signalen kan vara unik för människor.
