Sel-sel yang terletak di lapisan paling luar otak manusia menghasilkan sejenis isyarat elektrik khas yang mungkin memberikan mereka peningkatan rangsangan kuasa pengkomputeran, kata penyelidikan baru. Lebih-lebih lagi, isyarat ini mungkin unik kepada manusia - dan boleh menjelaskan kecerdasan unik kami, menurut penulis kajian.
Sel otak, atau neuron, menghubungkan melalui kabel panjang, cawangan dan mesej ulang-alik di sepanjang kabel ini untuk berkomunikasi antara satu sama lain. Setiap neuron mempunyai kedua-dua wayar keluar, dipanggil akson, dan wayar yang menerima mesej masuk, yang dikenali sebagai dendrite. Dendrite itu menyampaikan maklumat kepada seluruh neuron melalui pecah aktiviti elektrik. Bergantung kepada bagaimana otaknya berikat, setiap dendrit boleh menerima beratus-ratus isyarat dari neuron lain sepanjang panjangnya. Walaupun para saintis percaya paku elektrik ini membantu menggerakkan otak dan mungkin mendasari kebolehan seperti pembelajaran dan ingatan, peranan sebenar dendrit dalam kognisi manusia kekal sebagai misteri.
Kini, para penyelidik telah menemui satu rasa baru spike elektrik dalam dendrit manusia - yang mereka fikir mungkin membolehkan sel-sel untuk melakukan perhitungan sekali dianggap terlalu rumit untuk satu neuron untuk menangani sendiri. Kajian yang diterbitkan pada 3 Januari di dalam jurnal Sains, menyatakan bahawa harta elektrik yang baru dijumpai tidak pernah diperhatikan di mana-mana tisu haiwan selain daripada manusia, menimbulkan persoalan sama ada isyarat itu menyumbang secara unik kepada kecerdasan manusia, atau kepada primata, sepupu evolusi.
Isyarat yang aneh
Sehingga kini, kebanyakan kajian dendrit telah dilakukan dalam tisu tikus, yang berkongsi sifat asas dengan sel otak manusia, kata pengarang bersama kajian Matthew Larkum, seorang profesor di jabatan biologi di Universiti Humboldt di Berlin. Walau bagaimanapun, neuron manusia mengukur kira-kira dua kali selagi yang terdapat pada tetikus, katanya.
"Ini bermakna isyarat elektrik perlu pergi dua kali sejauh ini," Larkum memberitahu Live Science. "Sekiranya tidak ada perubahan dalam sifat elektrik, maka itu bermakna, dalam manusia, input sinaptik yang sama akan agak kurang berkuasa." Dengan kata lain, pancang elektrik yang diterima oleh dendrite akan lemah dengan ketara pada saat mereka mencapai badan sel neuron.
Oleh itu, Larkum dan rakan-rakannya berusaha untuk membongkar sifat-sifat elektrik neuron manusia untuk melihat bagaimana dendrite ini sebenarnya berjaya menghantar isyarat secara berkesan.
Ini bukan tugas yang mudah.
Pertama, para penyelidik terpaksa mengambil tangan mereka pada sampel tisu otak manusia, satu sumber yang sangat jarang. Pasukan itu akhirnya menggunakan neuron yang telah dihiris dari otak epilepsi dan pesakit tumor sebagai sebahagian daripada rawatan perubatan mereka. Pasukan berfokus pada neuron yang disembuhkan dari korteks serebrum, bahagian luar otak yang berkerut yang mengandungi beberapa lapisan berbeza. Pada manusia, lapisan ini memegang rangkaian padat dendrit dan berkembang menjadi sangat tebal, sifat yang mungkin "asas kepada apa yang menjadikan kita manusia," menurut satu kenyataan dari Science.
"Anda mendapat tisu sangat jarang, jadi anda hanya perlu bekerja dengan apa yang ada di hadapan anda," kata Larkum. Dan anda perlu bekerja dengan cepat, katanya. Di luar tubuh manusia, sel-sel otak yang terkena oksigen hanya akan berdaya maju selama kira-kira dua hari. Untuk memanfaatkan sepenuhnya tingkap masa yang terhad ini, Larkum dan pasukannya akan mengumpulkan pengukuran dari sampel yang diberikan selagi mereka dapat, kadang-kadang bekerja selama 24 jam lurus.
Semasa marathon eksperimen ini, pasukan itu memotong tisu otak menjadi irisan dan mencubit lubang di dalam dendrit yang terkandung di dalamnya. Dengan melekat pipet kaca nipis melalui lubang ini, penyelidik boleh menyuntik ion, atau zarah yang dikenakan, ke dalam dendrite dan memerhatikan bagaimana mereka berubah dalam aktiviti elektrik. Seperti yang dijangka, dendrite yang dirangsang menghasilkan pancang aktiviti elektrik, tetapi isyarat-isyarat ini kelihatan sangat berbeza daripada yang dilihat sebelum ini.
Setiap spike dinyalakan hanya untuk tempoh masa singkat - kira-kira satu milisaat. Dalam tisu heliks, jenis supershort spike berlaku apabila banjir natrium memasuki dendrite, yang dicetuskan oleh pengumpulan aktiviti elektrik tertentu. Kalsium juga boleh mencetuskan pancang pada dendrite tikus, tetapi isyarat ini cenderung 50 hingga 100 kali lebih lama daripada pancang natrium, kata Larkum. Apa yang dilihat pasukan dalam tisu manusia, seolah-olah menjadi hibrid aneh kedua-dua mereka.
"Walaupun ia kelihatan seperti peristiwa natrium, ia sebenarnya merupakan peristiwa kalsium," kata Larkum. Ahli pasukan menguji apa yang akan berlaku jika mereka menghalang natrium daripada memasuki dendrite sampel mereka dan mendapati bahawa paku terus terbakar. Lebih-lebih lagi, pancang supershort dipecat secara berturut-turut, satu tepat selepas yang lain. Tetapi apabila penyelidik menyekat kalsium daripada memasuki neuron, pancang itu berhenti pendek. Para saintis membuat kesimpulan bahawa mereka telah tersandung pada kelas baru spike, yang sama dalam tempoh untuk natrium tetapi dikawal oleh kalsium.
"Ini kelihatan berbeza daripada apa yang kita ketahui jauh dari mamalia lain," kata Mayank Mehta, seorang profesor di jabatan neurologi, fizik neurobiologi dan astronomi di University of California, Los Angeles, yang tidak terlibat dalam kajian itu. Persoalannya ialah, bagaimana pancang ini berkaitan dengan fungsi otak sebenar, katanya.
Rumah kuasa komputasi
Larkum dan rakan-rakannya tidak dapat menguji bagaimana sampel yang dihiris mungkin berperilaku dalam otak manusia yang utuh, sehingga mereka merekayasa model komputer berdasarkan hasilnya. Di dalam otak, dendrit menerima isyarat sepanjang panjangnya dari neuron berdekatan yang boleh mendorong mereka untuk menghasilkan spek atau menghalang mereka daripada melakukannya. Begitu juga, pasukan itu menggunakan dendrit digital yang boleh dirangsang atau dihalang daripada ribuan mata yang berbeza sepanjang panjangnya. Dari segi sejarah, kajian menunjukkan bahawa dendrit menyerupai isyarat-isyarat menentang ini dari masa ke masa dan menimbulkan kebocoran apabila bilangan isyarat excitatory melampaui halangan yang melarang.
Tetapi dendrit digital tidak bertindak dengan cara ini sama sekali.
"Apabila kita melihat dengan teliti, kita dapat melihat bahawa terdapat fenomena yang aneh ini," kata Larkum. Sinaran yang lebih menggembirakan yang diterima oleh dendrite, semakin kecil kemungkinannya untuk menghasilkan lonjakan. Sebaliknya, setiap rantau dalam dendrite tertentu kelihatan "ditala" untuk bertindak balas terhadap tahap rangsangan tertentu - tidak lebih, tidak kurang.
Tetapi apa maksudnya dari segi fungsi otak sebenar? Ini bermakna bahawa dendrit mungkin memproses maklumat pada setiap titik sepanjang panjangnya, berfungsi sebagai rangkaian bersatu untuk memutuskan maklumat mana yang hendak dihantar, yang mana untuk membuang dan yang mengendalikan sahaja, kata Larkum.
"Ia tidak melihat bahawa sel itu hanya menambahkan perkara - ia juga membuang benda-benda," kata Mehta kepada Live Science. (Dalam kes ini, isyarat "membuang" akan menjadi isyarat excitatory yang tidak disentuh dengan tepat pada "tempat yang manis" di kawasan dendritik.) Ini kuasa besar pengkomputeran boleh membolehkan dendrit mengambil fungsi yang dianggap sebagai kerja keseluruhan rangkaian saraf ; contohnya, Mehta menonjolkan bahawa dendrit individu bahkan boleh mengodkan kenangan.
Sekali lagi, ahli sains saraf berpendapat bahawa seluruh rangkaian neuron bekerjasama untuk melakukan pengiraan yang kompleks ini dan memutuskan bagaimana untuk bertindak balas sebagai satu kumpulan. Sekarang, nampaknya seperti dendrite individu ini jenis pengiraan yang tepat ini sendiri.
Mungkin hanya otak manusia yang mempunyai kuasa pengiraan yang mengagumkan ini, tetapi Larkum mengatakan bahawa terlalu awal untuk mengatakan dengan pasti. Beliau dan rakan-rakannya ingin mencari spesis kalsium misteri ini dalam tikus, sekiranya ia telah terlepas pandang dalam penyelidikan masa lalu. Beliau juga berharap untuk bekerjasama dalam kajian serupa di primata untuk melihat apakah sifat elektrik manusia dendrit adalah sama dengan saudara evolusi kami.
Ia tidak mungkin bahawa pancang ini menjadikan manusia istimewa atau lebih pintar daripada mamalia lain, kata Mehta. Ia mungkin bahawa harta elektrik yang baru dijumpai adalah unik kepada L2 / 3 neuron dalam korteks serebrum manusia, kerana otak tikus juga menghasilkan pancang tertentu di kawasan tertentu otak, tambahnya.
Dalam penyelidikan yang lalu, Mehta mendapati bahawa dendrite tikus juga menjana pelbagai paku yang fungsinya tepat tidak diketahui. Apa yang menarik ialah hanya pecahan paku ini sebenarnya mencetuskan reaksi dalam badan sel yang mereka pasangkan, katanya. Dalam neuron rodent, kira-kira 90 peratus pancang dendritik tidak menggalakkan isyarat elektrik dari badan sel, menunjukkan bahawa dendrit di dalam tikus dan manusia mungkin memproses maklumat secara bebas, dengan cara yang belum kita fahami.
Kebanyakan pemahaman kita mengenai pembelajaran dan memori berpunca daripada penyelidikan mengenai aktiviti elektrik yang dijana dalam badan sel neuron dan kabel keluarannya, akson. Tetapi penemuan ini menunjukkan bahawa "mungkin bahawa sebahagian besar pancang di otak mungkin berlaku di dendrit," kata Mehta. "Itu pancang boleh mengubah peraturan pembelajaran."
Nota Editor: Kisah ini dikemaskini pada 9 Januari untuk menjelaskan kenyataan Dr. Mayank Mehta mengenai sama ada isyarat elektrik yang baru dijumpai mungkin unik kepada manusia.
