Исключительные свойства дендритов объясняют вычислительную мощность человеческого мозга

Ученые обнаружили различия в том, как нейроны в мозге человека и крысы переносят сигналы, - пишет sciencedaily.com со ссылкой на Cell.

Нейроны в мозге человека получают электрические сигналы от тысяч других клеток, а длинные нейронные расширения, называемые дендритами, играют важную роль в интеграции всей этой информации, чтобы клетки могли реагировать соответствующим образом.

Используя труднодоступные образцы ткани головного мозга человека, нейрофизиологи Массачусетского технологического института обнаружили, что человеческие дендриты имеют особенные, по сравнению с другими видами, электрические свойства. Электрические сигналы ослабевают, когда они протекают по человеческим дендритам, что приводит к более высокой степени электрической изолированности, а это означает, что небольшие участки дендритов могут вести себя независимо от других частей нейрона.

По мнению исследователей, эти различия могут способствовать повышению вычислительной мощности человеческого мозга.

«Дело не только в том, что люди умны, потому что у них больше нейронов и кора крупнее, чем у других животных. Дело в том, что изначально нейроны ведут себя по-другому, - говорит автор исследования Марк Харнетт. - В человеческих нейронах существует большая электрическая изолированность, что позволяет им быть немного более независимыми и потенциально приводит к увеличению вычислительных возможностей отдельных нейронов».

Харнетт - сотрудник Института МакГоверна Массачусетского технологического института - и Сидней Кэш - помощник профессора неврологии в Гарвардской медицинской школе и Массачусетской общей больнице - являются старшими авторами исследования, которое появляется в выпуске 18 октября Cell. Ведущим автором статьи является Лу Боулье-Ларош, аспирант кафедры мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института.

Нейронные вычисления

Дендриты можно рассматривать как аналогичные транзисторам в компьютере, которые выполняют простые операции с использованием электрических сигналов. Дендриты получают входной сигнал от многих других нейронов и переносят эти сигналы телу нейрона. При достаточной стимуляции нейрон создает потенциал действия - электрический импульс, который затем стимулирует другие нейроны. Большие сети этих нейронов общаются друг с другом, чтобы генерировать мысли и поведение.

Структура одного нейрона часто напоминает дерево, причем многие ветви одного нейрона приносят информацию, которая поступает далеко от тела клетки. Предыдущие исследования показали, что сила электрических сигналов, поступающих в тело клетки, зависит, в частности, от того, как далеко они движутся по дендриту, чтобы добраться туда. По мере продвижения сигналы становятся слабее, поэтому сигнал далеко от тела клетки, имеет меньшее влияние, чем тот, который расположен близко к нему.

Дендриты в коре головного мозга человека намного длиннее, чем у крыс и большинства других видов, потому что кора человека в процессе эволюции развилась намного толще, чем у других видов. У людей кора составляет около 75% общего объема мозга, по сравнению с примерно 30% в мозге крысы.

Несмотря на то, что кора человека в два-три раза толще, чем у крыс, она имеет сходное устройство и состоит из шести разных слоев нейронов. Нейроны из пятого слоя имеют достаточно длинные дендриты, которые могут достигать первого слоя, а это означает, что по мере развития человеческого мозга дендриты должны были удлиняться, а электрические сигналы проходить гораздо большие расстояния.

В новом исследовании команда Массачусетского технологического института выясняла, как эти различия в длине могут повлиять на электрические свойства дендритов. Они смогли сравнить электрическую активность в дендритах крыс и людей, используя небольшие (размером с ноготь) кусочки ткани передней височной доли головного мозга, удаленные от пациентов с эпилепсией.

Эксперимент показал, что передняя височная доля не поражается эпилепсией, и ткань кажется нормальной при обследовании с помощью невропатологических методов. Эта часть мозга, по-видимому, выполняет множество функций, включая язык и визуальную обработку, но не критически важна для выполнения какой-либо из них: пациенты могут нормально функционировать после ее удаления.

Как только ткань была удалена, исследователи поместили ее в раствор, очень похожий на спинномозговую жидкость, с проходящим через нее кислородом. Это позволило им сохранить живую ткань в течение 48 часов. В течение этого времени они использовали метод, известный как патч-зажим электрофизиологии, чтобы зафиксировать, как электрические сигналы движутся вдоль дендритов пирамидальных нейронов - наиболее распространенным типом возбуждающих нейронов в коре.

Уникальные черты

Исследователи обнаружили, что, поскольку человеческие дендриты покрывают большие расстояния, сигнал, протекающий по дендриту человека из первого слоя в пятый, намного слабее, чем аналогичный сигнал, проходящий такой же путь по дендриту крысы.

Ученые также выяснили, что дендриты человека и крысы имеют одинаковое количество ионных каналов, которые регулируют ток, но эти каналы расположены менее плотно в дендритах человека в результате удлинения дендрита. Была разработана подробная биофизическая модель, которая показывает, что различия в плотности могут объяснить различия в электрической активности между дендритами человека и крысы.

Остается вопрос, как эти различия влияют на человеческий мозг? Гипотеза Харнетта состоит в том, что из-за этих различий, которые позволяют большему количеству областей дендрита влиять на силу входящего сигнала, отдельные нейроны могут выполнять более сложные вычисления.

В будущих исследованиях Харнетт надеется более подробно исследовать влияние этих электрических свойств и изучить, как эти и другие уникальные особенности человеческих нейронов влияют на увеличение вычислительной мощности.

[Фото: sciencedaily.com]

Источник: scientificrussia.ru

Комментарии: