Dlaczego ludzkie neurony różnią się od neuronów innych ssaków?
Neurony są budulcem ośrodkowego układu nerwowego, który obejmuje mózg i rdzeń kręgowy. Dzielą się informacjami za pomocą impulsów elektrycznych i sygnałów chemicznych.
Ludzki mózg zawiera około 100 miliardów tych komórek.
- Grupa naukowców odkryła, że ludzkie neurony mają znacznie mniej kanałów jonowych niż inne neurony ssaków.
- Mniejsza gęstość kanałów jonowych może przyczynić się do wydajniejszego funkcjonowania mózgu u ludzi.
- Odkrycia neuronaukowców torują drogę przyszłym badaniom nad siłami ewolucyjnymi stojącymi za tym rozróżnieniem.
Impulsy neuronalne są generowane przez aktywność kanałów jonowych, które kontrolują ruch jonów mineralnych, w tym potasu i sodu. Zazwyczaj w mózgach ssaków, wraz ze wzrostem wielkości neuronów, wzrasta również gęstość kanałów jonowych w neuronach.
Ku zaskoczeniu neuronaukowców z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge i Harvard Medical School w Bostonie, nie dotyczyło to ludzkich neuronów.
Dr Lou Beaulieu-Laroche, neurobiolog i główny autor badania, wyjaśnił w niedawnym poście na LinkedIn: „Odkrycia te mają ważne implikacje dla zrozumienia naszych wybitnych zdolności poznawczych i wyzwań, przed którymi stoją terapie wywodzące się z modeli zwierzęcych. badania kliniczne na ludziach”.
Dr Beaulieu-Laroche nazywa ten artykuł „najwyższym osiągnięciem naukowym”.
Badanie relacji allometrycznych
Wielkość neuronów determinuje neuronalne wejście wyjście cechy — jak prawdopodobne jest, że neuron „wystrzeli” po określonym poziomie danych wejściowych od innych neuronów. Wielkość neuronów jest również bardzo zróżnicowana u różnych gatunków ssaków.
Zespół naukowców przeanalizował między innymi próbki mózgów osób cierpiących na epilepsję, które przeszły leczenie neurochirurgiczne, ryjówek etruskich, myszy, królików i makaków.
Badacze postawili sobie za cel „charakteryzować neurony piramidowe warstwy 5 korowej na 10 gatunkach ssaków, aby zidentyfikować zależności allometryczne, które decydują o tym, jak biofizyka neuronalna zmienia się wraz z rozmiarem komórki”.
Autorzy wybrali tę populację neuronów, ponieważ są one „niezawodnie identyfikowalne”, a naukowcy intensywnie je badali. Allometria to nauka o tym, jak cechy zwierzęcia zmieniają się wraz z wielkością.
Badając 10 gatunków, naukowcy mogli analizować różne rozmiary neuronów i grubości kory w całym królestwie ssaków.
W szczególności naukowcy skupili się na dwóch typach kanałów jonowych: aktywowanych hiperpolaryzacją cyklicznych kanałach bramkowanych nukleotydami (HCN) i kanałach potasowych bramkowanych napięciem. Skupili się na tych dwóch, ponieważ są stosunkowo łatwo dostępne i mają silny wpływ na sieci neuronowe.
Wyjątek od wzorów
Neuronaukowcy zaobserwowali „plan budowy” zgodny z każdym gatunkiem z wyjątkiem ludzi. Piszą:
„W 9 z 10 gatunków obserwujemy zachowane zasady, które kontrolują przewodnictwo bramkowanych napięciem kanałów potasowych i HCN . Gatunki z większymi neuronami, a zatem obniżonym stosunkiem powierzchni do objętości, wykazują wyższe przewodnictwo jonowe błony.”
W tym kontekście przewodnictwo opisuje zdolność jonów do łatwego przechodzenia przez błonę neuronu przez kanały jonowe.
Dr Beaulieu-Laroche i współpracownicy zauważyli, że ludzkie neurony nie wykazują tych samych wzorców allometrycznych, co pozostałych dziewięciu ssaków. Zamiast tego przewodnictwo kanałów potasowych i HCN bramkowanych napięciem było znacznie niższe w ludzkich neuronach.
Odkrycia te pokazują „zachowane zasady ewolucyjne biofizyki neuronalnej u ssaków, a także godne uwagi cechy kory ludzkiej”.
Zwiększony potencjał obliczeniowy
Kilku autorów tego badania zauważyło w poprzednich badaniach, że ludzkie neurony są większe niż neurony innych ssaków.
Jednak obecne odkrycia wskazują, że ludzkie neurony warstwy 5 „są nie tylko duże […], ale są zasadniczo różne”.
Medical News Today omówił aktualne badanie z Keilandem Cooperem, neurobiologiem z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine. Nie był zaangażowany w te badania.
Cooper był zaintrygowany tym, że ludzkie neurony warstwy 5 różnią się kanałami jonowymi. Spekulował: „Być może ludzki mózg odbiega od wzorca, aby zaspokoić zmieniające się zapotrzebowanie na energię, w przeciwieństwie do innych gatunków”.
Dr Beaulieu-Laroche i jego współautorzy uważają, że niższe przewodnictwo błonowe ludzkich neuronów umożliwia Kora mózgowa „aby przydzielić zasoby energetyczne innym aspektom funkcji neuronów (np. transmisji synaptycznej), które są bardziej efektywne obliczeniowo”.
Innymi słowy, energia zaoszczędzona przez przechowywanie mniejszej liczby kanałów jonowych może pomóc ludzkiemu mózgowi w wykonywaniu innych, bardziej złożonych zadań.
„Nowe i ważne miejsce”
Według autorów, badanie to zapewnia „nowe i ważne miejsce dla przyszłych badań nad kondycją człowieka”.
Neuronaukowcy mają nadzieję zbadać, dokąd zmierza dodatkowa energia ludzkich neuronów. Chcą również ustalić, czy istnieją pewne zmiany genetyczne, które umożliwiają tak wydajnym neuronom człowieka.
Co więcej, badacze ci zastanawiają się, czy naczelne blisko spokrewnione z ludźmi również mają niższą gęstość kanałów jonowych.
Cooper również przewiduje te odkrycia, jak podzielił się z MNT :
„Badanie takie jak to otworzy zupełnie nowy zestaw pytań, które będą musiały zostać zbadane: Co może leżeć u podstaw różnic między ludźmi a innymi gatunkami? Czy istnieją określone markery genetyczne lub kamienie milowe w rozwoju, w których gatunki się różnią? Jakie mogą być implikacje funkcjonalne, czy też mózg w jakiś sposób kompensuje to?”
Cooper dodał: „Jestem naprawdę podekscytowany, widząc dalsze prace, które będą wynikiem tego badania”.
Przyszłość
Naukowcy nie rozumieją jeszcze, dlaczego „przewodność [jonowa] na objętość jest niższa u ludzi lub dlaczego jest zachowana u wszystkich innych badanych gatunków”. Będzie to wymagało znacznie więcej badań.
Jeśli chodzi o ograniczenia, naukowcy zwracają uwagę, że historia choroby i leczenie ludzi stojących za próbkami mogły wpłynąć na wynik tego badania.
Zauważają jednak, że „w poprzednich badaniach z obszerną historią pacjenta i typami operacji nie zaobserwowano znaczących korelacji między etiologią choroby a morfologią dendrytów lub plastycznością synaptyczną”.
W tej kwestii Cooper zgadza się; powiedział MNT : „Myślę, że autorzy tworzą przekonujący argument, aby ludzkie neurony były reprezentatywne, jednak dalsze prace nad oddzieleniem tych różnic będą musiały zostać zakończone, aby potwierdzić to pojedyncze badanie”.
Jeśli chodzi o kolejne kroki, autorzy kończą swój artykuł, zauważając:
„Potrzebne są ekscytujące przyszłe prace, aby określić presję ewolucyjną leżącą u podstaw tych charakterystycznych cech i ich wkładu w funkcjonowanie ludzkiego mózgu”.
