สัญญาณสมองที่ไม่ซ้ำกันเพิ่งค้นพบ และมันอาจทำให้เราเป็น 'มนุษย์'

เซลล์ที่ตั้งอยู่ในชั้นนอกสุดของสมองมนุษย์สร้างสัญญาณไฟฟ้าชนิดพิเศษที่อาจทำให้พวกเขามีพลังในการคำนวณเพิ่มขึ้นเป็นพิเศษ ยิ่งไปกว่านั้นสัญญาณนี้อาจไม่ซ้ำกับมนุษย์ - และอาจอธิบายความฉลาดพิเศษของเราตามผู้เขียนการศึกษา

เซลล์สมองหรือเซลล์ประสาทเชื่อมโยงผ่านสายยาวแยกเป็นส่วน ๆ และส่งข้อความไปตามสายเคเบิลเหล่านี้เพื่อสื่อสารกัน เซลล์ประสาทแต่ละแห่งมีทั้งสายโทรออกซึ่งเรียกว่าซอนและสายที่รับข้อความขาเข้าเรียกว่า dendrite dendrite ส่งผ่านข้อมูลไปยังเซลล์ประสาทส่วนที่เหลือผ่านการระเบิดของกิจกรรมไฟฟ้า ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าสมองเชื่อมต่อกันอย่างไร dendrite แต่ละคนอาจได้รับสัญญาณจากเซลล์ประสาทอื่น ๆ นับแสนตามความยาวของมัน ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าการไฟฟ้าแหลมเหล่านี้ช่วยเชื่อมสมองและรองรับความสามารถเช่นการเรียนรู้และความทรงจำ แต่บทบาทที่แน่นอนของ dendrites ในการรับรู้ของมนุษย์ยังคงเป็นปริศนา

ตอนนี้นักวิจัยได้ค้นพบเข็มไฟฟ้ารสชาติใหม่ใน dendrites มนุษย์ - พวกเขาคิดว่าอาจอนุญาตให้เซลล์ทำการคำนวณเมื่อคิดว่าซับซ้อนเกินไปสำหรับเซลล์ประสาทเดียวที่จะจัดการด้วยตัวเอง การศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 3 มกราคมในวารสาร Science ได้ตั้งข้อสังเกตว่าสมบัติทางไฟฟ้าที่เพิ่งค้นพบไม่เคยพบในเนื้อเยื่อสัตว์ใด ๆ นอกเหนือจากมนุษย์ทำให้เกิดคำถามว่าสัญญาณมีส่วนช่วยในความฉลาดของมนุษย์หรือไม่กับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ลูกพี่ลูกน้องวิวัฒนาการ

สัญญาณแปลก ๆ

จนถึงปัจจุบันการศึกษาเรื่อง dendrite ส่วนใหญ่ดำเนินการในเนื้อเยื่อหนูซึ่งมีคุณสมบัติพื้นฐานกับเซลล์สมองของมนุษย์กล่าวโดย Matthew Larkum ผู้เขียนร่วมการศึกษาศาสตราจารย์ภาควิชาชีววิทยาของมหาวิทยาลัย Humboldt ในกรุงเบอร์ลิน อย่างไรก็ตามเซลล์ประสาทของมนุษย์นั้นมีความยาวประมาณสองเท่าของที่พบในหนู

“ นั่นหมายความว่าสัญญาณไฟฟ้าจะต้องเดินทางไกลเป็นสองเท่า” Larkum กล่าวกับ Live Science ถ้าไม่มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้านั่นก็หมายความว่าในมนุษย์อินพุต synaptic เดียวกันจะมีประสิทธิภาพน้อยลงเล็กน้อย กล่าวอีกนัยหนึ่งไฟฟ้าแหลมที่ได้รับจาก dendrite จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อพวกเขาไปถึงเซลล์ของเซลล์ประสาท

Larkum และเพื่อนร่วมงานของเขาจึงออกเดินทางเพื่อเปิดเผยคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเซลล์ประสาทของมนุษย์เพื่อดูว่า dendrites เหล่านี้สามารถจัดการส่งสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นี่ไม่ใช่งานง่าย

ก่อนอื่นนักวิจัยจะต้องจับตัวอย่างเนื้อเยื่อสมองของมนุษย์ซึ่งเป็นทรัพยากรที่หายาก ทีมลงเอยด้วยการใช้เซลล์ประสาทที่ถูกตัดออกจากสมองของผู้ป่วยโรคลมชักและเนื้องอกซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการรักษาทางการแพทย์ของพวกเขา ทีมงานมุ่งความสนใจไปที่เซลล์ประสาทที่ได้รับการแก้ไขจากเปลือกสมองซึ่งเป็นชั้นนอกของสมองที่มีรอยย่นหลายชั้น ในมนุษย์เลเยอร์เหล่านี้มีเครือข่ายหนาแน่นของ dendrites และเติบโตขึ้นอย่างหนาแน่นซึ่งเป็นคุณลักษณะที่อาจเป็น "พื้นฐานของสิ่งที่ทำให้เราเป็นมนุษย์" ตามคำแถลงจากวิทยาศาสตร์

“ คุณได้รับเนื้อเยื่อไม่บ่อยนักดังนั้นคุณต้องทำงานกับสิ่งที่อยู่ข้างหน้าคุณ” ลาร์กุ่มกล่าว และคุณต้องทำงานให้เร็วเขาเพิ่ม นอกร่างกายมนุษย์เซลล์สมองที่ได้รับออกซิเจนจะยังคงใช้งานได้ประมาณสองวันเท่านั้น เพื่อใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่จากช่วงเวลาที่ จำกัด นี้ Larkum และทีมของเขาจะรวบรวมการวัดจากตัวอย่างที่กำหนดตราบเท่าที่ทำได้เท่าที่จะทำได้บางครั้งสามารถทำงานได้ตลอด 24 ชั่วโมง

ในระหว่างการทดลองมาราธอนทีมงานได้ตัดเนื้อเยื่อสมองเป็นชิ้น ๆ และเจาะรูในเดนเดรทที่มีอยู่ภายใน นักวิจัยสามารถฉีดไอออนหรืออนุภาคที่มีประจุเข้าไปใน dendrites และสังเกตว่ามันเปลี่ยนแปลงไปในกิจกรรมไฟฟ้าได้อย่างไรโดยการปิเปตแก้วบาง ๆ ผ่านรูเหล่านี้ อย่างที่คาดไว้ dendrites ที่ถูกกระตุ้นนั้นสร้างกระแสไฟฟ้าได้ดี แต่สัญญาณเหล่านี้ดูต่างจากที่เคยเห็นมาก่อนมาก

เข็มแต่ละจุดติดไฟในช่วงเวลาสั้น ๆ - ประมาณมิลลิวินาที ในเนื้อเยื่อหนูหนูเข็ม supershort ประเภทนี้เกิดขึ้นเมื่อน้ำท่วมของโซเดียมเข้าสู่ dendrite ซึ่งเกิดจากการสะสมของกิจกรรมไฟฟ้า Larkum กล่าวว่าแคลเซียมสามารถกระตุ้นแหลมในเดนเดอร์หนูได้ แต่สัญญาณเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะยาวนานกว่า 50 ถึง 100 เท่าของโซเดียมเดือย แม้ว่าสิ่งที่ทีมเห็นในเนื้อเยื่อของมนุษย์ดูเหมือนจะเป็นลูกผสมที่แปลกประหลาดของทั้งสอง

“ ถึงแม้ว่ามันจะดูเหมือนเหตุการณ์โซเดียมจริง ๆ แล้วมันเป็นเหตุการณ์แคลเซียม” Larkum กล่าว สมาชิกในทีมทดสอบว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าพวกเขาป้องกันไม่ให้โซเดียมเข้าไปในตัวอย่าง dendrites ของพวกเขาและพบว่าเดือยแหลมยังคงลุกไหม้อย่างต่อเนื่อง ยิ่งไปกว่านั้น spikes supershort ยิงต่อเนื่องอย่างรวดเร็วหนึ่งขวาหลังจากที่อื่น แต่เมื่อนักวิจัยบล็อกแคลเซียมจากการเข้าสู่เซลล์ประสาทแหลมก็หยุดสั้น นักวิทยาศาสตร์สรุปว่าพวกเขาสะดุดกับเข็มระดับใหม่ซึ่งมีระยะเวลาคล้ายกับโซเดียม แต่ควบคุมด้วยแคลเซียม

"สิ่งเหล่านี้ดูแตกต่างจากสิ่งที่เรารู้จักมาจนถึงตอนนี้จากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่น ๆ " Mayank Mehta ศาสตราจารย์ในแผนกประสาทวิทยาฟิสิกส์ชีววิทยาและดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียลอสแองเจลิสซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษากล่าว คำถามใหญ่ก็คือว่าเดือยเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการทำงานของสมองจริงอย่างไรเขากล่าว

ศูนย์กลางการคำนวณ

Larkum และเพื่อนร่วมงานของเขาไม่สามารถทดสอบว่าตัวอย่างที่ถูกหั่นบาง ๆ ของพวกเขาอาจทำงานในสมองมนุษย์ที่ไม่บุบสลายได้อย่างไรดังนั้นพวกเขาจึงสร้างโมเดลคอมพิวเตอร์ขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ของพวกเขา ในสมอง dendrites ได้รับสัญญาณตามความยาวของพวกเขาจากเซลล์ประสาทใกล้เคียงที่สามารถผลักพวกเขาเพื่อสร้างขัดขวางหรือป้องกันพวกเขาจากการทำเช่นนั้น ในทำนองเดียวกันทีมออกแบบ dendrites ดิจิตอลที่สามารถกระตุ้นหรือยับยั้งจากหลายพันจุดที่แตกต่างกันตามความยาวของพวกเขา จากการศึกษาในอดีตชี้ให้เห็นว่า dendrites นับสัญญาณตรงข้ามเหล่านี้เมื่อเวลาผ่านไปและยิงเข็มออกมาเมื่อจำนวนของสัญญาณ excitatory มีจำนวนมากกว่าสัญญาณยับยั้ง

แต่ dendrites ดิจิตอลไม่ได้ทำงานในลักษณะนี้เลย

“ เมื่อเรามองอย่างใกล้ชิดเราจะเห็นว่ามีปรากฏการณ์แปลกประหลาดนี้” ลาร์กุ่มกล่าว ยิ่งมีสัญญาณกระตุ้นให้ dendrite มากเท่าไรก็ยิ่งมีโอกาสที่จะสร้างเข็มได้น้อยลงเท่านั้น แต่ละภูมิภาคใน dendrite ที่ให้มาดูเหมือนจะ "ปรับ" เพื่อตอบสนองต่อการกระตุ้นระดับที่เฉพาะเจาะจง - ไม่มากไม่น้อยไปกว่านั้น

แต่สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรในแง่ของการทำงานของสมองจริง หมายความว่า dendrites อาจประมวลผลข้อมูลทุกจุดตามความยาวทำงานเป็นเครือข่ายแบบครบวงจรเพื่อตัดสินใจว่าจะส่งข้อมูลใดซึ่งจะทิ้งและจัดการกับคนเดียว Larkum กล่าว

“ มันไม่ได้ดูเหมือนว่าเซลล์เพิ่งจะเพิ่มสิ่งต่าง ๆ แต่มันก็ทิ้งทุกอย่างออกไป” Mehta กล่าวกับ Live Science (ในกรณีนี้สัญญาณ "ทิ้ง" จะเป็นสัญญาณ excitatory ที่ปรับไม่ถูกต้องกับ "จุดหวาน" ของภูมิภาค dendritic) การคำนวณมหาอำนาจนี้สามารถทำให้ dendrites ทำงานได้ทันทีที่คิดว่าเป็นผลงานของโครงข่ายประสาททั้งหมด ; เช่น Mehta theorizes ที่ dendrites แต่ละคนสามารถเข้ารหัสความทรงจำ

ครั้งหนึ่งนักประสาทวิทยาคิดว่าเครือข่ายทั้งหมดของเซลล์ประสาททำงานร่วมกันเพื่อทำการคำนวณที่ซับซ้อนเหล่านี้และตัดสินใจว่าจะตอบเป็นกลุ่มอย่างไร ตอนนี้ดูเหมือนว่า dendrite แต่ละคนจะทำการคำนวณประเภทนี้ทั้งหมดด้วยตัวเอง

อาจเป็นได้ว่าสมองของมนุษย์เท่านั้นที่มีพลังการคำนวณที่น่าประทับใจนี้ แต่ลาร์คุมกล่าวว่ามันเร็วเกินไปที่จะพูดได้อย่างแน่นอน เขาและเพื่อนร่วมงานของเขาต้องการค้นหาแคลเซียมที่แหลมอย่างลึกลับนี้ในหนูในกรณีที่ถูกมองข้ามในการวิจัยที่ผ่านมา เขายังหวังที่จะร่วมมือกันในการศึกษาที่คล้ายกันในไพรเมตเพื่อดูว่าคุณสมบัติทางไฟฟ้าของ dendrites ของมนุษย์นั้นคล้ายกับของญาติวิวัฒนาการของเราหรือไม่

มันไม่น่าเป็นไปได้มากที่แหลมเหล่านี้จะทำให้มนุษย์มีความพิเศษหรือฉลาดกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่น ๆ Mehta กล่าว อาจเป็นไปได้ว่าคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เพิ่งค้นพบนั้นเป็นลักษณะเฉพาะของเซลล์ L2 / 3 ในเยื่อหุ้มสมองของมนุษย์เนื่องจากสมองของหนูนั้นยังก่อให้เกิดการแหลมที่เฉพาะเจาะจงในส่วนใดส่วนหนึ่งของสมอง

ในการวิจัยที่ผ่านมา Mehta พบว่า dendrites หนูยังสร้างหนามที่หลากหลายซึ่งยังไม่ทราบหน้าที่ที่แน่นอน สิ่งที่น่าสนใจคือมีเพียงเสี้ยวของแหลมเหล่านี้เท่านั้นที่สามารถกระตุ้นปฏิกิริยาในร่างกายของเซลล์ที่เขาเสียบเข้าไป ในเซลล์ประสาทหนูหนูราว 90 เปอร์เซ็นต์ของแหลม dendritic ไม่แสดงสัญญาณไฟฟ้าจากเซลล์บอกว่า dendrites ในหนูและมนุษย์อาจประมวลผลข้อมูลอย่างอิสระในวิธีที่เรายังไม่เข้าใจ

ความเข้าใจของเราส่วนใหญ่เกี่ยวกับการเรียนรู้และความทรงจำเกิดจากการวิจัยเกี่ยวกับกิจกรรมไฟฟ้าที่สร้างขึ้นในเซลล์ร่างกายเซลล์ประสาทและสายเคเบิลเอาท์พุต แต่การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่า "อาจเป็นไปได้ว่าสมองส่วนใหญ่อาจเกิดขึ้นในเดนไดรท์" เมธากล่าว "เดือยเหล่านั้นสามารถเปลี่ยนกฎการเรียนรู้"

หมายเหตุบรรณาธิการ: เรื่องนี้ได้รับการปรับปรุงเมื่อวันที่ 9 มกราคมเพื่อชี้แจงคำชี้แจงจากดร. Mayank Mehta เกี่ยวกับว่าสัญญาณไฟฟ้าที่ค้นพบใหม่อาจไม่ซ้ำกับมนุษย์