Yeni araştırmalar, insan beyninin en dış katmanlarında yer alan hücrelerin, bilgisayarlara ekstra bir güç artışı sağlayabilecek özel bir elektrik sinyali ürettiğini ileri sürüyor. Dahası, bu yazarlar insanlara özgü olabilir ve çalışma yazarlarına göre benzersiz zekamızı açıklayabilir.
Beyin hücreleri veya nöronlar, birbirleriyle iletişim kurmak için uzun, dallanan teller ve bu kablolar boyunca mekik mesajları aracılığıyla birbirine bağlanır. Her nöronun hem akson adı verilen bir giden teli hem de dendrit olarak bilinen gelen mesajları alan bir teli vardır. Dendrit, bilgiyi elektriksel aktivite patlamaları yoluyla nöronun geri kalanına iletir. Beynin nasıl bağlandığına bağlı olarak, her dendrit uzunluğu boyunca diğer nöronlardan yüz binlerce sinyal alabilir. Bilim adamları bu elektrik artışlarının beyni kablolamaya yardımcı olduğuna ve öğrenme ve hafıza gibi yeteneklerin temelini oluşturabileceğine inanırken, dendritlerin insan bilişindeki kesin rolü bir sır olarak kalıyor.
Şimdi, araştırmacılar, insan dendritlerinde yeni bir elektrik başak lezzeti ortaya çıkardılar - bir tanesi, hücrelerin tek bir nöronun kendi başına başa çıkması için çok karmaşık olduğu düşünülen hesaplamaları gerçekleştirmesine izin verebileceğini düşündükleri bir şey. Science dergisinde 3 Ocak'ta yayınlanan çalışma, yeni keşfedilen elektriksel özelliğin insan dışında herhangi bir hayvan dokusunda hiç gözlemlenmediğini ve sinyalin insan zekasına mı yoksa primatlarınkine benzersiz bir şekilde katkıda bulunup bulunmadığı sorusunu gündeme getirdiğini belirtiyor. evrimsel kuzenler.
Garip bir sinyal
Berlin'deki Humboldt Üniversitesi biyoloji bölümünde profesör olan yazar yardımcı yazar Matthew Larkum, şimdiye kadar çoğu dendrit çalışması, insan beyni hücreleriyle temel özellikleri paylaşan kemirgen dokusunda gerçekleştirildi. Bununla birlikte, insan nöronları bir farede bulunanların yaklaşık iki katı uzunluğundadır.
Larkum Live Science'a, "Bu, elektrik sinyallerinin iki kat daha uzağa gitmesi gerektiği anlamına geliyor." Dedi. "Elektriksel özelliklerde değişiklik olmazsa, bu, insanlarda aynı sinaptik girdilerin biraz daha az güçlü olacağı anlamına gelir." Başka bir deyişle, bir dendrit tarafından alınan elektrik ani yükselmeleri nöronun hücre gövdesine ulaştıklarında önemli ölçüde zayıflayacaktır.
Bu yüzden Larkum ve meslektaşları, daha uzun dendritlerin aslında sinyalleri etkili bir şekilde göndermeyi nasıl başardıklarını görmek için insan nöronlarının elektriksel özelliklerini ortaya çıkarmaya başladılar.
Bu kolay bir iş değildi.
Birincisi, araştırmacılar, kötü bilinen bir kaynak olan insan beyni doku örnekleri üzerinde ellerini almak zorunda kaldılar. Ekip, tıbbi tedavilerinin bir parçası olarak epilepsi ve tümör hastalarının beyinlerinden dilimlenmiş nöronları kullandı. Ekip, beynin birkaç farklı katman içeren buruşuk dış kısmı olan serebral korteksten rezeke edilen nöronlara odaklandı. İnsanlardan, bu katmanlar yoğun dendrit ağlarına sahiptir ve Science'ın açıklamasına göre, "bizi insan yapan şey için temel" olabilecek bir özellik olan son derece kalınlaşmaktadır.
Larkum, "Dokuyu çok seyrek alıyorsunuz, bu yüzden önünüzdekilerle çalışmanız gerekiyor," dedi. Ve hızlı çalışmalısın diye ekledi. İnsan vücudunun dışında, oksijen açlığı olan beyin hücreleri sadece iki gün boyunca yaşayabilir. Bu sınırlı zaman penceresinden tam olarak yararlanmak için, Larkum ve ekibi, belirli bir örnekten ölçümleri olabildiğince uzun süre toplayacaklardı, bazen 24 saat düz çalışıyordu.
Bu deneysel maratonlar sırasında ekip, beyin dokusunu dilimler halinde doğradı ve içerdiği dendritlerde delikler açtı. Bu deliklerden ince cam pipetleri yapıştırarak, araştırmacılar dendritlere iyonlar veya yüklü parçacıklar enjekte edebilir ve elektriksel aktivitede nasıl değiştiklerini gözlemleyebilirler. Beklendiği gibi, uyarılmış dendritler elektriksel aktivite artışları yarattı, ancak bu sinyaller daha önce görülenden çok farklı görünüyordu.
Her ani yükselme sadece kısa bir süre tutuştu - yaklaşık bir milisaniye. Kemirgen dokusunda, bu tür süper kısa ani artış, bir sodyum seli, belirli bir elektriksel aktivite birikimi ile tetiklenen bir dendrite girdiğinde ortaya çıkar. Larkum, kalsiyumun kemirgen dendritlerindeki sivri uçları da tetikleyebilir, ancak bu sinyallerin sodyum sivri uçlarından 50 ila 100 kat daha uzun sürdüğünü söyledi. Takımın insan dokusunda gördükleri, ikisinin garip bir melezi gibi görünüyordu.
Larkum, "Bir sodyum olayı gibi görünse de, aslında bir kalsiyum olayıydı." Dedi. Ekip üyeleri, sodyumun örnek dendritlerine girmesini engellerse ne olacağını test ettiler ve ani artışların ateşlenmeden devam ettiğini buldular. Dahası, süper kısa ani artışlar birbiri ardına hızlı bir şekilde arttı. Ancak araştırmacılar kalsiyumun nöronlara girmesini engellediğinde, sivri uçlar durdu. Bilim adamları, sodyum ile benzer ancak kalsiyum tarafından kontrol edilen yepyeni bir sivri uç sınıfına rastladıkları sonucuna vardı.
Los Angeles, Kaliforniya Üniversitesi'nde nöroloji, nörobiyoloji fiziği ve astronomi bölümlerinde profesör olan Mayank Mehta, "Bunlar, diğer memelilerden bugüne kadar bildiğimiz her şeyden farklı görünüyor," dedi. Büyük soru, bu sivri uçların gerçek beyin fonksiyonu ile nasıl bir ilişkisi olduğunu söyledi.
Hesaplamalı güç merkezleri
Larkum ve meslektaşları, dilimlenmiş örneklerinin sağlam bir insan beyninde nasıl davranabileceğini test edemediler, bu yüzden sonuçlarına göre bir bilgisayar modeli tasarladılar. Beyinde, dendritler, uzunlukları boyunca, bir sivri uç oluşturmak için onları itebilen veya bunu yapmasını engelleyen yakındaki nöronlardan sinyaller alırlar. Benzer şekilde, ekip, uzunlukları boyunca binlerce farklı noktadan uyarılabilen veya inhibe edilebilen dijital dendritler tasarladı. Tarihsel olarak, araştırmalar dendritlerin zaman içinde bu karşıt sinyalleri hesapladığını ve uyarıcı sinyallerin sayısı engelleyici olanlardan daha fazla olduğunda bir ani ateşlediğini göstermektedir.
Ancak dijital dendritler bu şekilde davranmadılar.
Larkum, "Yakından baktığımızda, bu garip bir fenomenin olduğunu görebiliyorduk." Dedi. Bir dendritin aldığı uyarıcı sinyaller ne kadar fazla olursa, ani artış olasılığı o kadar az olur. Bunun yerine, belirli bir dendritteki her bölge, belirli bir stimülasyon seviyesine yanıt vermek için "ayarlanmış" görünüyordu - daha fazla, daha az değil.
Fakat bu gerçek beyin fonksiyonu açısından ne anlama geliyor? Larkum, dendritlerin uzunlukları boyunca her noktada bilgileri işleyebileceği, hangi bilgilerin gönderileceğini, hangilerinin atılacağını ve hangilerinin tek başına ele alınacağına karar vermek için birleşik bir ağ olarak çalışabileceği anlamına geliyor.
"Hücrenin sadece bir şeyler kattığı görülmüyor - aynı zamanda bir şeyler de atıyor," dedi Mehta Canlı Bilim'e. (Bu durumda, "fırlatma" sinyalleri, dendritik bölgenin "tatlı noktasına" uygun şekilde ayarlanmamış uyarıcı sinyaller olacaktır.) Bu hesaplamalı süper güç, dendritlerin bir kez tüm sinir ağlarının işi olduğu düşünülen işlevleri yerine getirmesini sağlayabilir. ; örneğin Mehta, bireysel dendritlerin anıları bile kodlayabileceğini teorileştirir.
Bir zamanlar sinirbilimciler, tüm nöron ağlarının bu karmaşık hesaplamaları yapmak için birlikte çalıştıklarını düşündüler ve grup olarak nasıl karşılık verileceklerine karar verdiler. Şimdi, bireysel bir dendritin bu kesin hesaplama türünü tek başına yaptığı anlaşılıyor.
Bu etkileyici hesaplama gücüne sadece insan beyni sahip olabilir, ancak Larkum kesin olarak söylemek için çok erken olduğunu söyledi. O ve meslektaşları, geçmiş araştırmalarda göz ardı edilmesi durumunda kemirgenlerde bu gizemli kalsiyum artışını aramak istiyorlar. Ayrıca, insan dendritlerinin elektriksel özelliklerinin evrimsel akrabalarımıza benzer olup olmadığını görmek için primatlarda benzer çalışmalar üzerinde işbirliği yapmayı umuyor.
Mehta, bu sivri uçların insanları diğer memelilerden daha özel veya daha akıllı hale getirmesi pek olası değildir. Yeni keşfedilen elektriksel özellik, insan serebral korteksindeki L2 / 3 nöronlarına özgü olabilir, çünkü kemirgen beyin ayrıca beynin belirli bölgelerinde spesifik sivri uçlar da üretti.
Geçmişte yapılan araştırmalarda Mehta, kemirgen dendritlerinin de kesin işlevi bilinmeyen çok çeşitli sivri uçlar ürettiğini buldu. İlginç olan, bu sivri uçların sadece bir kısmının, takıldıkları hücre gövdesinde bir reaksiyonu tetiklediğidir. Kemirgen nöronlarında, dendritik sivri uçların yaklaşık yüzde 90'ı hücre gövdesinden gelen elektrik sinyallerini uyarmaz, bu da hem kemirgenlerde hem de insanlarda dendritlerin bilgiyi henüz anlamadığımız şekilde bağımsız olarak işleyebileceğini gösterir.
Öğrenme ve bellek anlayışımızın çoğu, nöron hücre gövdesinde ve çıkış kablosu aksonda üretilen elektriksel aktivite üzerine yapılan araştırmalardan kaynaklanmaktadır. Ancak bu bulgular, "beyindeki sivri uçların çoğunun dendritlerde olabileceğini gösteriyor" dedi Mehta. "Bu artışlar öğrenme kurallarını değiştirebilir."
Editörün Notu: Bu hikaye, 9 Ocak'ta, Dr.
