Учёным, исследующим свойства человеческого мозга, давно известно, что он работает как мощнейший компьютер и способен, к примеру, вместить всю информацию Интернета. Однако пока что открыты далеко не все факторы, определяющие «вычислительные способности» нашего мозга.
Очередным открытием в этой области поделились исследователи из Массачусетского технологического института. Они впервые провели запись электрической активности нейронов со сверхвысоким уровнем детализации.
Важно пояснить, что наш мозг содержит 85-86 миллиардов нейронов, и каждый функционирует как возбуждаемый элемент. Он накапливает входящие электрические сигналы в своём теле (соме) и, когда напряжение достигает определённого предела, генерирует короткий электрический импульс, отправляющийся в разветвлённые отростки – дендриты. Отметим, что именно такой накопительный подход позволяет миллионам и миллиардам отдельных клеток функционировать как единое целое без общего «центра управления».
На концах дендрита каждого нейрона расположены мембранные выросты – шипики. Шипики одного нейрона соединяются с шипиками другого, формируя место контакта – синапс. Через них и осуществляется передача нервного импульса.
Авторы новой работы решили сравнить «способности» дендритов людей и модельных животных – крыс. Они предполагали, что именно различия в работе этих нейронных отростков отвечают за вычислительную мощность мозга и могут объяснить интеллектуальное превосходство людей над всеми остальными видами.
Эксперты поясняют: каждый нейрон может иметь до 50 дендритов, и у человека они гораздо длиннее, чем у крыс и большинства других животных. Поэтому кора головного мозга у нас намного толще: она составляет около 75% от общего объёма мозга (для сравнения: у крыс – около 30%).
Но, несмотря на эти различие, структурная организация этой области у грызунов и людей схожая: кора мозга состоит из шести разных слоёв нейронов. При этом нейроны из пятого слоя имеют возможность передать сигнал нейронам из первого слоя.
Но, раз у людей кора значительно толще, чем у животных, получается, что в ходе эволюции нейронам приходилось удлинять свои дендриты, чтобы дотянуться до других слоёв. Да и сами сигналы путешествуют по таким путям дольше.
«Дело не только в том, что люди умны, потому что у нас больше нейронов и большая кора. [Наши] нейроны и действуют по-другому», — рассуждает глава научной группы Марк Харнетт (Mark Harnett).
Чтобы подробнее изучить работу дендритов людей, исследователи использовали срезы мозговой ткани пациентов с эпилепсией. В ходе операций добровольцам удаляли небольшие (с ноготь человека) участки передней височной доли, чтобы получить доступ к нужному участку мозга.
Отмечается, что передняя височная доля отвечает за множество функций, включая лингвистическую и визуальную обработку информации, но удаление крошечного её участка не снижает работоспособность мозга. А для нейробиологов такие «живые» ткани – уникальные образцы для изучения.
Как только команда получила срезы, их сразу же поместили в растворы, имитирующие спинномозговую жидкость. Это позволило сохранять жизнеспособность тканей в течение 48 часов.
Затем учёные использовали электрофизиологическую методику под названием локальная фиксация потенциала, которая позволяет изучать свойства ионных каналов. Последних очень много во внешних мембранах дендритов, и они фактически отвечают за пропускную способность «канала».
Авторы работы наблюдали за тем, как электрические сигналы распространяются по дендритам пирамидальных нейронов (это самый распространённый тип возбудительных нейронов коры мозга млекопитающих).
Ранее аналогичные эксперименты проводились с тканями мозга грызунов, однако электрические свойства дендритов человека команда изучала впервые.
В результате специалисты обнаружили, что, поскольку дендриты людей длиннее крысиных, сигнал, приходящий от нейрона из первого слоя к нейрону пятого слоя, намного слабее, чем аналогичный сигнал у грызунов.
Также выяснилось, что дендриты человека и крысы имеют одинаковое количество ионных каналов, но в наших дендритах они имеют более низкую плотность из-за общего удлинения дендритов.
Может показаться, что такое отличие снижает работоспособность мозга, но на самом деле это не так. Напротив, для того чтобы направить сигнал в нужное место, тысячи синапсов каждого дендрита должны «коллективно» определить «шаблон ввода», поясняет Харнетт.
На основе новых данных его коллеги разработали подробную биофизическую модель, которая показывает, что изменение плотности ионных каналов может объяснить некоторые различия в электрической активности дендритов человека и крысы.
Согласно гипотезе Харнетта, из-за выявленных различий большее количество частей дендритов может влиять на силу входящего сигнала, что позволяет отдельным нейронам нашего мозга выполнять более сложные задачи и повышать вычислительную мощность. Клетки мозга сами становятся своего рода мини-компьютерами.
«В человеческих нейронах существует больше «электрической независимости», что потенциально приводит к увеличению вычислительных возможностей одиночных нейронов», — полагает учёный.
Впрочем, существует множество других различий в работе мозга человека и животных, поэтому, возможно, удлинение дендритов и связанные с этим изменения – это лишь одно из преимуществ, которые получили сапиенсы в ходе эволюции.
В дальнейшем нейробиологи намерены более подробно исследовать электрическую активность мозга людей и отыскать другие особенности, отвечающие за наши умственные способности.
Коллеги нейробиологов из MIT назвали это открытие «замечательным достижением».
«Это наиболее тщательно детализированные измерения физиологических свойств нейронов человека на сегодняшний день. Эти эксперименты очень сложны, даже когда работа проводится с [образцами тканей] мышей и крыс, поэтому с технической точки зрения довольно удивительно, что они смогли проделать это с тканями людей», — отметил Нельсон Спрустон (Nelson Spruston) из Медицинского института имени Говарда Хьюза.
Научная работа по итогам исследования опубликована в журнале Cell.
Ранее, напомним, мы сообщали о том, что мозг интеллектуалов формирует меньше связей между нейронами. Также учёные отыскали в мозге человека новый тип клеток и узнали, как мозгу удаётся работать в режиме многозадачности.
Автор: Юлия Воробьёва