Человеческие нейроны намного больше, чем у модельных организмов мышей и крыс, поэтому неясно, влияет ли их размер на вычислительную мощность нашего мозга. Теперь, в исследовании, опубликованном 18 октября в журнале Cell, исследователи показывают, что в отличие от нейронов других животных, человеческие нейроны используют высоко компартментализованную передачу сигналов. Человеческие дендриты – древовидные ветвящиеся структуры, которые функционируют как антенны нейронов – обрабатывают электрические сигналы иначе, чем дендриты у грызунов, наиболее распространенные модельные системы для изучения свойств нейронов.
"Человеческий нейрон в основном похож на нейрон крысы, но, поскольку он намного длиннее, сигналы должны проходить гораздо дальше. Таким образом, человеческие дендриты имеют другую функцию ввода-вывода" от крыс, – говорит старший автор Марк Харнетт, доцент Фреда и Кэрол Миддлтон, доцент кафедры мозговых и когнитивных наук Массачусетского технологического института. "Дендриты, расположенные дальше от тела клетки, имеют меньше ионных каналов, которые контролируют обработку сигналов. Этого мы совершенно не ожидали."
Харнетт, изучающий, как биофизические особенности нейронов влияют на обработку информации в мозге, считает, что наши более длинные и большие дендритные ветви наделяют человеческие нейроны и их соответствующие цепи расширенными вычислительными возможностями.
"Человеческие нейроны более разделены электрически и могут использовать это," он говорит. "Мы думаем, что низкая плотность ионных каналов на концах дендритов позволяет клетке иметь как можно больше субкомпартментов. Чем длиннее ветви, тем независимее агрегаты. У вас есть гораздо больше единиц для вычислений в одном нейроне."
"Подобная интеграция различных потоков информации может наделить отдельные нейроны сложностью небольших вычислительных сетей," говорит Харнетт.
Используя метод, называемый записью патч-зажим, при котором крошечные стеклянные иглы прижимаются к клеточной мембране для детального измерения электрических свойств, исследователи впервые напрямую зарегистрировали дендритную активность в живой мозговой ткани человека. Человеческая ткань (после операций на головном мозге) была получена из передней височной доли пациентов с эпилепсией.
Работа также может в конечном итоге принести пользу пациентам с эпилепсией, у которых иногда удаляются небольшие участки ткани мозга, чтобы контролировать приступы, которые не поддаются лечению. "Люди долгое время использовали животных моделей, чтобы думать об эпилепсии, но очевидно, что есть некоторые довольно существенные различия, по крайней мере в дендритах, между людьми и грызунами," Харнетт говорит. "Чем лучше мы понимаем ионные каналы и возбудимость мембран, тем лучше понимаем механизмы эпилепсии и способы ее лечения."
Следующие шаги также включают определение взаимосвязи между размером нейрона и электрическими свойствами у других видов, чтобы получить представление об эволюции коры головного мозга.