生物科学门户网站
BIO1000.COM

树突的电学特性有助于解释我们大脑独特的计算能力

麻省理工学院的神经科学家现在可以记录人类神经元树突的电活动。

人类大脑中的神经元接收来自数千个其他细胞的电信号,称为树突的长神经延伸在整合所有信息中发挥关键作用,因此细胞可以适当地作出反应。

使用难以获得的人类脑组织样本,麻省理工学院神经科学家现已发现人类树突具有与其他物种不同的电性质。他们的研究表明,当电子信号沿人体树突流动时,电信号会减弱,从而导致更高程度的电隔离,这意味着树突的小部分可以独立于神经元的其他部分而表现。

研究人员说,这些差异可能有助于增强人脑的计算能力。

“这不仅仅是人类聪明,因为我们有更多的神经元和更大的皮质。从下往上,神经元表现不同,”Fred和Carole Middleton职业发展大脑和认知科学助理教授Mark Harnett说。“在人类神经元中,存在更多的电隔离,这使得这些单元更加独立,可能导致单个神经元的计算能力增强。”

Harnett也是麻省理工学院麦戈文脑研究所的成员,而悉尼现金,哈佛医学院和马萨诸塞州综合医院的神经学助理教授,该研究的高级作者,出现在10月18日的问题中。细胞。该论文的主要作者是麻省理工学院脑与认知科学系的研究生Lou Beaulieu-Laroche。

神经计算

可以认为树突类似于计算机中的晶体管,使用电信号执行简单操作。树突从许多其他神经元接收输入并将这些信号传递给细胞体。如果受到足够的刺激,神经元就会激发动作电位 - 一种电刺激,然后刺激其他神经元。这些神经元的大型网络彼此通信以产生思想和行为。

单个神经元的结构通常类似于树,许多分支带来远离细胞体的信息。先前的研究已经发现,到达细胞体的电信号的强度部分取决于它们沿着树突行进到那里的程度。随着信号传播,它们变得更弱,因此远离细胞体的信号比到达细胞体附近的信号具有更小的影响。

人脑皮质中的树突比大鼠和大多数其他物种的树突长得多,因为人类皮层的进化比其他物种的厚得多。在人类中,皮质占总脑容量的约75%,而大鼠脑中约占30%。

虽然人体皮层比大鼠厚两到三倍,但它保持了相同的整体组织,由六个独特的神经元层组成。来自第5层的神经元具有足够长的树突以一直到达第1层,这意味着人类树突随着人类大脑的进化而不得不伸长,并且电信号必须传播得更远。

在这项新研究中,麻省理工学院的研究小组想要研究这些长度差异如何影响枝晶的电性能。他们能够比较大鼠和人类树突的电活动,使用从癫痫病人手术切除部分颞叶的小块脑组织。为了到达大脑的患病部位,外科医生还必须取出一小部分前颞叶。

在MGH合作伙伴Cash,Matthew Frosch,Ziv Williams和Emad Eskandar的帮助下,Harnett的实验室能够获得前颞叶的样本,每个样本大约是指甲的大小。

Harnett说,有证据表明前颞叶不受癫痫的影响,当用神经病理学技术检查时,组织看起来正常。这部分大脑似乎涉及各种功能,包括语言和视觉处理,但对任何一种功能都不是至关重要的;患者在移除后能够正常运作。

一旦组织被移除,研究人员将其置于与脑脊液非常相似的溶液中,氧气流过它。这使他们能够保持组织存活长达48小时。在此期间,他们使用称为膜片钳电生理学的技术来测量电信号如何沿锥体神经元的树突移动,锥体神经元是皮层中最常见的兴奋性神经元类型。

这些实验主要由Beaulieu-Laroche进行。Harnett的实验室(以及其他人)之前已经在啮齿动物树突中进行了这种实验,但他的团队是第一个分析人类树突的电学特性的人。

独特的功能

研究人员发现,由于人类树突覆盖的距离较长,因此从第1层到第5层的细胞体的人体树突流动的信号在到达时比从第1层到第5层沿大鼠树突流动的信号要弱得多。

他们还表明,人和大鼠树突具有相同数量的离子通道,其调节电流,但是这些通道由于枝晶伸长而在人类树突中以较低密度发生。他们还开发了一个详细的生物物理模型,表明这种密度变化可以解释人类和大鼠树突之间电活动的一些差异,Harnett说。

问题仍然存在,这些差异如何影响人类的智力?Harnett的假设是,由于这些差异允许树突的更多区域影响输入信号的强度,因此单个神经元可以对信息执行更复杂的计算。

“如果你的皮质柱有一大块人类或啮齿动物皮层,你将能够通过人体结构与啮齿动物结构更快地完成更多的计算,”他说。

Harnett补充说,人类神经元与其他物种的神经元之间存在许多其他差异,因此难以梳理出树突状电性质的影响。在未来的研究中,他希望进一步探索这些电学特性的确切影响,以及它们如何与人类神经元的其他独特特征相互作用,以产生更多的计算能力。

该研究由加拿大国家科学与工程研究委员会,达纳基金会大卫马奥尼神经影像资助计划和国立卫生研究院资助。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。