Inimese aju kõige kaugematesse kihtidesse pesitsevad rakud genereerivad spetsiaalset elektrisignaali, mis võib neile anda andmetöötluse lisajõudu, väidavad uued uuringud. Veelgi enam, see signaal võib olla inimestele ainulaadne - ja see võib uuringu autorite sõnul selgitada meie ainulaadset intelligentsust.
Ajurakud ehk neuronid ühendatakse nende kaablite kaudu pikkade, hargnevate juhtmete ja süstikute kaudu, et omavahel suhelda. Igal neuronil on nii väljuv juhe, mida nimetatakse aksoniks, kui ka traat, mis võtab vastu sissetulevaid sõnumeid, mida nimetatakse dendritiks. Dendriit edastab elektrilise aktiivsuse purunemiste kaudu teavet ülejäänud neuronile. Sõltuvalt aju juhtmestikust võib iga dendriit kogu selle pikkuse vältel saada teistelt neuronitelt sadu tuhandeid signaale. Ehkki teadlaste arvates aitavad need elektrilised naelu aju juhtmesse viia ja need võivad olla selliste võimete aluseks nagu õppimine ja mälu, jääb dendriitide täpne roll inimese tunnetuses saladuseks.
Nüüd on teadlased avastanud inimese dendriitides uue elektrilise tera - lõhna - see võib nende arvates võimaldada rakkudel arvutusi teha, kui üks neuron oli liiga keeruline, et sellega iseseisvalt hakkama saada. 3. jaanuaril ajakirjas Science avaldatud uuringus märgitakse, et uues levinud elektrilises omaduses pole muid loomseid kudesid peale inimese kunagi täheldatud, tõstatades küsimuse, kas signaal aitab ainulaadselt kaasa inimese intelligentsusele või primaatide, meie evolutsiooni nõod.
Kummaline signaal
Siiani on enamik dendriidiuuringuid tehtud näriliste koes, millel on inimese ajurakkudega põhilised omadused, ütles Berliini Humboldti ülikooli bioloogiaosakonna professor Matthew Larkum. Inimese neuronite mõõtmed on aga umbes kaks korda pikemad kui hiirest leitud, ütles ta.
"See tähendab, et elektrilised signaalid peavad liikuma kaks korda kaugemale," rääkis Larkum Live Science'ile. "Kui elektrilised omadused ei muutuks, tähendaks see, et inimestel oleksid samad sünaptilised sisendid natuke vähem võimsad." Teisisõnu, dendriidi vastuvõetud elektrilised naelu nõrgenevad märkimisväärselt selleks ajaks, kui nad jõuavad neuroni rakukeha.
Nii otsustasid Larkum ja tema kolleegid paljastada inimese neuronite elektrilised omadused, et näha, kuidas need pikemad dendriidid tegelikult signaale tõhusalt saadavad.
See polnud kerge ülesanne.
Esiteks pidid teadlased saama käed inimese ajukoe proovide jaoks, mis on kurikuulsalt napp ressurss. Meeskond kasutas oma ravi osana neuroneid, mis olid epilepsia- ja kasvajahaigete ajudest viilutatud. Meeskond keskendus ajukoorest eraldatud neuronitele - aju kortsus välisküljele, mis sisaldab mitut selget kihti. Inimestel sisaldavad need kihid tihedaid dendriitide võrgustikke ja kasvavad äärmiselt paksudeks - see omadus võib olla "fundamentaalne sellele, mis teeb meist inimese", seisab Science avalduses.
"Te saate kude väga harva, nii et olete lihtsalt pidanud töötama sellega, mis teie ees on," sõnas Larkum. Ja peate kiiresti töötama, lisas ta. Väljaspool inimkeha jäävad hapnikuvaegusega ajurakud elujõuliseks ainult umbes kaks päeva. Selle piiratud ajaperioodi täielikuks ärakasutamiseks koguvad Larkum ja tema meeskond etteantud proovist nii kaua kui võimalik, töötades mõnikord 24 tundi sirgelt.
Nende eksperimentaalsete maratonide ajal tükeldas meeskond ajukoe viiludeks ja pistis augud selles sisalduvatesse dendritesse. Kleepides õhukesed klaasist pipetid nende aukude kaudu, võisid teadlased dendritesse süstida ioone või laetud osakesi ja jälgida, kuidas need elektrilises aktiivsuses muutusid. Ootuspäraselt tekitasid stimuleeritud dendriidid elektrilise aktiivsuse tippe, kuid need signaalid nägid varasemaga võrreldes väga erinevad.
Iga teravik süttis vaid lühikese aja jooksul - umbes millisekundi. Näriliste koes toimub seda tüüpi ülilühike teravik, kui naatriumitulv siseneb dendriiti, mille käivitab teatud elektrilise aktiivsuse kuhjumine. Kaltsium võib vallandada ka näriliste dendriitide naelu, kuid need signaalid kestavad tavaliselt 50–100 korda kauem kui naatriumi kangid, ütles Larkum. See, mida meeskond inimkoes nägi, tundus nende kahe kummalise hübriidina.
"Kuigi see nägi välja nagu naatriumisündmus, oli see tegelikult kaltsiumiüritus," ütles Larkum. Meeskonna liikmed testisid, mis juhtuks, kui nad takistaksid naatriumi sisenemast proovi dendriitidesse ja leidsid, et naelu jätkub tuleohtlikult. Veelgi enam, ülivõrgud nabad tulistasid kiirelt üksteise järel. Kuid kui teadlased blokeerisid kaltsiumi neuronitesse sisenemise, peatusid naelu lühikeseks. Teadlased jõudsid järeldusele, et nad on sattunud uhiuue oravaklassi juurde, mis on kestusega sarnane naatriumiga, kuid mida kontrollib kaltsium.
"Need näevad välja erinevad, kui me seni teistest imetajatest teada oleme saanud," ütles Los Angelese California ülikooli California ülikooli neuroloogia, neurobioloogia füüsika ja astronoomia osakonna professor Mayank Mehta, kes uuringuga ei tegelenud. Suur küsimus on, kuidas need naelu suhted aju tegeliku funktsioneerimisega on tema sõnul.
Arvutuslikud elektrijaamad
Larkum ja tema kolleegid ei saanud testida, kuidas nende tükeldatud proovid inimese inimajus toimivad, seetõttu konstrueerisid nad tulemuste põhjal arvutimudeli. Ajus saavad dendriidid signaale kogu pikkuses lähedalasuvatelt neuronitelt, mis võivad neid kas naelu tekitamiseks suruda või takistada neil seda teha. Sarnaselt kavandas meeskond digitaalseid dendriite, mida saab stimuleerida või pärssida tuhandetest erinevatest punktidest kogu pikkuses. Ajalooliselt näitasid uuringud, et dendriidid vastavad need vastandlikud signaalid aja jooksul ja eraldavad piigi, kui ergastavate signaalide arv ületab inhibeerivaid.
Kuid digitaalsed dendriidid ei käitunud sugugi nii.
"Kui me lähemalt vaatasime, nägime, et seal oli see kummaline nähtus," ütles Larkum. Mida rohkem ergastavaid signaale dendriit vastu võttis, seda väiksem oli selle teravik tekkimise tõenäosus. Selle asemel tundus iga dendriidi piirkond olevat "häälestatud" reageerima konkreetsele stimulatsioonitasemele - mitte rohkem ega vähem.
Kuid mida see tähendab tegeliku ajufunktsiooni osas? See tähendab, et dendriidid töötlevad teavet igas punktis kogu oma pikkuses ja töötavad ühtse võrguna, et otsustada, millist teavet edastada, kumba visata ja kumba üksi käidelda, ütles Larkum.
"Paistab, et lahter lihtsalt asju liidab - see viskab ka asju minema," rääkis Mehta Live Science'ile. (Sel juhul oleks "viska" signaalid ergastavad signaalid, mis pole dendriitilise piirkonna "magusa kohaga" õigesti häälestatud.) See arvutuslik ülivõimsus võiks dendriitidel võimaldada funktsioonide täitmist, kui neid peetakse tervete närvivõrkude tööks. ; näiteks Mehta teoreetiliselt väidab, et üksikud dendriidid võivad isegi mälestusi kodeerida.
Kunagi arvasid neuroteadlased, et nende keerukate arvutuste tegemiseks töötasid terved neuronite võrgud, ja otsustasid, kuidas rühmana reageerida. Nüüd näib, et individuaalne dendriit teeb selle täpse arvutustüübi iseseisvalt.
Võib juhtuda, et seda muljetavaldavat arvutusvõimet omab ainult inimese aju, kuid Larkumi sõnul on seda veel vara öelda. Tema ja ta kolleegid soovivad seda salapärast kaltsiumisüsti otsida närilistelt, juhuks, kui see on varasemates uuringutes kahe silma vahele jäänud. Samuti loodab ta teha koostööd primaatide sarnaste uuringutega, et näha, kas inimeste dendriitide elektrilised omadused on sarnased meie evolutsiooniliste sugulaste omadustega.
On väga ebatõenäoline, et need naelad muudavad inimese eriliseks või intelligentsemaks kui teised imetajad, ütles Mehta. Võib juhtuda, et uudselt leitud elektriline omadus on ainulaadne inimese peaajukoores asuvate L2 / 3 neuronite suhtes, kuna näriliste aju tekitab ka aju teatud piirkondades spetsiifilisi naelu, lisas ta.
Varasemates uuringutes leidis Mehta, et näriliste dendriidid tekitavad ka mitmesuguseid naelu, mille täpne funktsioon jääb teadmata. Huvitav on see, et ainult murdosa neist naeluistest vallandab rakukehas reaktsiooni, kuhu nad ühendatakse, ütles ta. Näriliste neuronites umbes 90 protsenti dendriitidest ei tekita rakukehas elektrilisi signaale, mis viitab sellele, et nii näriliste kui ka inimeste dendriidid töötlevad teavet sõltumatult viisil, mida me veel ei mõista.
Suur osa meie arusaamast õppimisest ja mälust tuleneb närvirakkude kehas ja selle väljundkaablis aksonis tekkiva elektrilise aktiivsuse uuringutest. Kuid need leiud viitavad sellele, et "võib juhtuda, et suurem osa aju naelu toimub dendrites", ütles Mehta. "Need naelu võivad muuta õppimise reegleid."
Toimetaja märkus: Seda lugu värskendati 9. jaanuaril, et selgitada dr Mayank Mehta avaldust selle kohta, kas vastloodud elektrisignaal võib olla inimestele ainulaadne.
