Zellen, die sich in den äußersten Schichten des menschlichen Gehirns befinden, erzeugen ein spezielles elektrisches Signal, das ihnen möglicherweise einen zusätzlichen Schub an Rechenleistung verleiht, wie neue Forschungsergebnisse belegen. Darüber hinaus kann dieses Signal für den Menschen einzigartig sein - und laut den Autoren der Studie unsere einzigartige Intelligenz erklären.
Gehirnzellen oder Neuronen verbinden sich über lange, verzweigte Drähte und transportieren Nachrichten entlang dieser Kabel, um miteinander zu kommunizieren. Jedes Neuron hat sowohl einen ausgehenden Draht, der als Axon bezeichnet wird, als auch einen Draht, der eingehende Nachrichten empfängt, die als Dendrit bezeichnet werden. Der Dendrit gibt Informationen durch elektrische Aktivitätsschübe an den Rest des Neurons weiter. Abhängig davon, wie das Gehirn verdrahtet ist, kann jeder Dendrit Hunderttausende von Signalen von anderen Neuronen entlang seiner Länge empfangen. Während Wissenschaftler glauben, dass diese elektrischen Spitzen das Gehirn verdrahten und Fähigkeiten wie Lernen und Gedächtnis zugrunde liegen können, bleibt die genaue Rolle von Dendriten in der menschlichen Wahrnehmung ein Rätsel.
Jetzt haben Forscher eine neue Art von elektrischer Spitze in menschlichen Dendriten entdeckt - eine, von der sie glauben, dass sie es den Zellen ermöglichen könnte, Berechnungen durchzuführen, die einst als zu komplex angesehen wurden, als dass ein einzelnes Neuron sie alleine angehen könnte. Die Studie, die am 3. Januar in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, stellt fest, dass die neu entdeckte elektrische Eigenschaft in keinem anderen tierischen Gewebe als dem Menschen beobachtet wurde, was die Frage aufwirft, ob das Signal in einzigartiger Weise zur menschlichen Intelligenz oder zu der von Primaten beiträgt evolutionäre Cousins.
Ein seltsames Signal
Bisher wurden die meisten Dendritenstudien an Nagetiergewebe durchgeführt, das grundlegende Eigenschaften mit menschlichen Gehirnzellen teilt, sagte Studienmitautor Matthew Larkum, Professor am Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin. Menschliche Neuronen messen jedoch etwa doppelt so lange wie die einer Maus, sagte er.
"Das bedeutet, dass die elektrischen Signale doppelt so weit laufen müssen", sagte Larkum gegenüber Live Science. "Wenn sich die elektrischen Eigenschaften nicht ändern würden, würde dies bedeuten, dass beim Menschen dieselben synaptischen Eingaben etwas weniger leistungsfähig wären." Mit anderen Worten, elektrische Spitzen, die von einem Dendriten empfangen werden, würden sich signifikant abschwächen, wenn sie den Zellkörper des Neurons erreichen.
Also machten sich Larkum und seine Kollegen daran, die elektrischen Eigenschaften menschlicher Neuronen aufzudecken, um zu sehen, wie diese längeren Dendriten es tatsächlich schaffen, Signale effektiv zu senden.
Das war keine leichte Aufgabe.
Zunächst mussten die Forscher menschliche Gehirngewebeproben in die Hände bekommen, eine notorisch knappe Ressource. Das Team verwendete schließlich Neuronen, die im Rahmen ihrer medizinischen Behandlung aus dem Gehirn von Epilepsie- und Tumorpatienten herausgeschnitten worden waren. Das Team konzentrierte sich auf Neuronen, die aus der Großhirnrinde reseziert wurden, dem faltigen Äußeren des Gehirns, das mehrere unterschiedliche Schichten enthält. Beim Menschen halten diese Schichten dichte Netzwerke von Dendriten und werden extrem dick, ein Attribut, das laut einer Aussage der Wissenschaft "grundlegend für das sein kann, was uns menschlich macht".
"Sie bekommen das Gewebe sehr selten, also müssen Sie nur mit dem arbeiten, was vor Ihnen liegt", sagte Larkum. Und du musst schnell arbeiten, fügte er hinzu. Außerhalb des menschlichen Körpers bleiben die sauerstoffarmen Gehirnzellen nur etwa zwei Tage lang lebensfähig. Um dieses begrenzte Zeitfenster voll auszunutzen, sammelten Larkum und sein Team so lange wie möglich Messungen an einer bestimmten Probe und arbeiteten manchmal 24 Stunden am Stück.
Während dieser experimentellen Marathons hackte das Team Hirngewebe in Scheiben und bohrte Löcher in die darin enthaltenen Dendriten. Indem die Forscher dünne Glaspipetten durch diese Löcher steckten, konnten sie Ionen oder geladene Teilchen in die Dendriten injizieren und beobachten, wie sich ihre elektrische Aktivität veränderte. Wie erwartet erzeugten die stimulierten Dendriten Spitzen der elektrischen Aktivität, aber diese Signale sahen ganz anders aus als alle zuvor gesehenen.
Jeder Spike entzündete sich nur für kurze Zeit - etwa eine Millisekunde. Im Nagetiergewebe tritt diese Art von Supershort-Spike auf, wenn eine Natriumflut in einen Dendriten eintritt, die durch eine bestimmte Ansammlung elektrischer Aktivität ausgelöst wird. Calcium kann auch Spitzen in Nagetierdendriten auslösen, aber diese Signale halten tendenziell 50- bis 100-mal länger als Natriumspitzen, sagte Larkum. Was das Team im menschlichen Gewebe sah, schien jedoch eine seltsame Mischung aus beiden zu sein.
"Obwohl es wie ein Natriumereignis aussah, war es tatsächlich ein Kalziumereignis", sagte Larkum. Die Teammitglieder testeten, was passieren würde, wenn sie verhindern würden, dass Natrium in ihre Probendendriten eindringt, und stellten fest, dass die Spikes unvermindert weiter feuerten. Darüber hinaus feuerten die Supershort-Stacheln schnell hintereinander ab. Aber als die Forscher den Eintritt von Kalzium in die Neuronen blockierten, hörten die Spitzen kurz auf. Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass sie auf eine brandneue Klasse von Spikes gestoßen waren, deren Dauer der von Natrium ähnelt, die jedoch von Kalzium kontrolliert wird.
"Diese sehen anders aus als alles, was wir bisher von anderen Säugetieren gewusst haben", sagte Mayank Mehta, Professor an den Abteilungen für Neurologie, Neurobiologie, Physik und Astronomie an der University of California in Los Angeles, der nicht an der Studie beteiligt war. Die große Frage ist, in welcher Beziehung diese Spitzen zur tatsächlichen Gehirnfunktion stehen, sagte er.
Computerkraftwerke
Larkum und seine Kollegen konnten nicht testen, wie sich ihre in Scheiben geschnittenen Proben in einem intakten menschlichen Gehirn verhalten könnten. Deshalb entwickelten sie basierend auf ihren Ergebnissen ein Computermodell. Im Gehirn empfangen Dendriten entlang ihrer Länge Signale von nahe gelegenen Neuronen, die sie entweder dazu bringen können, eine Spitze zu erzeugen, oder sie daran hindern können. In ähnlicher Weise entwarf das Team digitale Dendriten, die an Tausenden verschiedener Punkte entlang ihrer Länge stimuliert oder gehemmt werden können. Historisch gesehen deuten Studien darauf hin, dass Dendriten diese entgegengesetzten Signale im Laufe der Zeit zählen und eine Spitze auslösen, wenn die Anzahl der anregenden Signale die der hemmenden übersteigt.
Aber die digitalen Dendriten haben sich überhaupt nicht so verhalten.
"Bei genauerem Hinsehen konnten wir feststellen, dass es dieses seltsame Phänomen gab", sagte Larkum. Je mehr anregende Signale ein Dendrit empfing, desto weniger wahrscheinlich war es, dass er eine Spitze erzeugte. Stattdessen schien jede Region in einem bestimmten Dendriten "abgestimmt" zu sein, um auf ein bestimmtes Stimulationsniveau zu reagieren - nicht mehr und nicht weniger.
Aber was bedeutet das für die tatsächliche Gehirnfunktion? Dies bedeutet, dass Dendriten an jedem Punkt ihrer Länge Informationen verarbeiten können und als einheitliches Netzwerk arbeiten, um zu entscheiden, welche Informationen gesendet, welche verworfen und welche allein verarbeitet werden sollen, sagte Larkum.
"Es sieht nicht so aus, als würde die Zelle nur Dinge zusammenzählen - sie wirft auch Dinge weg", sagte Mehta gegenüber Live Science. (In diesem Fall wären die "Wegwerf" -Signale Anregungssignale, die nicht richtig auf den "Sweet Spot" der dendritischen Region abgestimmt sind.) Diese rechnerische Supermacht könnte es Dendriten ermöglichen, Funktionen zu übernehmen, die einst als Arbeit ganzer neuronaler Netze angesehen wurden ;; Zum Beispiel theoretisiert Mehta, dass einzelne Dendriten sogar Erinnerungen codieren könnten.
Einmal dachten Neurowissenschaftler, dass ganze Netzwerke von Neuronen zusammenarbeiten, um diese komplexen Berechnungen durchzuführen, und entschieden, wie sie als Gruppe reagieren sollten. Nun scheint es, als würde ein einzelner Dendrit genau diese Art der Berechnung alleine durchführen.
Es mag sein, dass nur das menschliche Gehirn diese beeindruckende Rechenleistung besitzt, aber Larkum sagte, dass es zu früh ist, dies mit Sicherheit zu sagen. Er und seine Kollegen wollen nach dieser mysteriösen Kalziumspitze bei Nagetieren suchen, falls sie in früheren Forschungen übersehen wurde. Er hofft auch, an ähnlichen Studien an Primaten zusammenarbeiten zu können, um festzustellen, ob die elektrischen Eigenschaften menschlicher Dendriten denen unserer evolutionären Verwandten ähnlich sind.
Es ist sehr unwahrscheinlich, dass diese Spitzen den Menschen besonders oder intelligenter machen als andere Säugetiere, sagte Mehta. Es kann sein, dass die neu entdeckte elektrische Eigenschaft nur für L2 / 3-Neuronen in der menschlichen Hirnrinde gilt, da das Gehirn von Nagetieren auch in bestimmten Regionen des Gehirns spezifische Spitzen erzeugt, fügte er hinzu.
In früheren Forschungen fand Mehta heraus, dass Nagetierdendriten auch eine Vielzahl von Spikes erzeugen, deren genaue Funktion unbekannt bleibt. Interessant ist, dass nur ein Bruchteil dieser Spitzen tatsächlich eine Reaktion im Zellkörper auslöst, in den sie sich einstecken, sagte er. In Nagetierneuronen lösen ungefähr 90 Prozent der dendritischen Spitzen keine elektrischen Signale vom Zellkörper aus, was darauf hindeutet, dass Dendriten sowohl bei Nagetieren als auch beim Menschen Informationen auf eine Weise verarbeiten, die wir noch nicht verstehen.
Ein Großteil unseres Verständnisses von Lernen und Gedächtnis beruht auf der Erforschung der elektrischen Aktivität, die im Neuronenzellkörper und seinem Ausgangskabel, dem Axon, erzeugt wird. Aber diese Ergebnisse legen nahe, dass "es sein kann, dass die Mehrheit der Spitzen im Gehirn in den Dendriten stattfindet", sagte Mehta. "Diese Spitzen könnten die Lernregeln ändern."
Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde am 9. Januar aktualisiert, um eine Aussage von Dr. Mayank Mehta darüber zu klären, ob das neu entdeckte elektrische Signal für Menschen einzigartig sein könnte.
