Невроните комуникират помежду си чрез електрически импулси, които се произвеждат от йонни канали, които контролират потока от йони например на калия и натрия. В изненадващо ново откритие невролозите от MIT са показали, че човешките неврони имат много по-малък брой от тези канали от очакваното, в сравнение с невроните на други бозайници.
Изследователите предполагат, че това намаляване на плътността на каналите може да е помогнало на човешкия мозък да се развие, за да работи по-ефективно, което му позволява да отклонява ресурси към други енергоемки процеси, които са необходими за изпълнение на сложни когнитивни задачи.
„Ако мозъкът може да спести енергия чрез намаляване на плътността на йонните канали, може да изразходва тази енергия за други невронни или верижни процеси“, отбелязва Марк Харнет (Mark Harnett), доцент по мозъчни и когнитивни науки, член на Института за мозъчни изследвания McGovern на Масачузетския технологичен институт и водещ автор на изследването.
Невролозите от MIT анализират пирамидални неврони от няколко различни вида бозайници, включително от ляво на дясно, пор, морско свинче, заек, мармозетка, макак и човек. Кредит: Massachusetts Institute of Technology
Харнет и колегите му анализират неврони от 10 различни бозайника, най-обширното електрофизиологично изследване по рода си, и идентифицират „плана за изграждане“, който е валиден за всеки вид, който са разгледали - с изключение на хората. Те откриват, че с увеличаване на размера на невроните, плътността на каналите, открити в невроните, също се увеличава.
Въпреки това човешките неврони се оказват поразително изключение от това правило.
„Предишни сравнителни проучвания установиха, че човешкият мозък е изграден като други мозъци на бозайници, така че бяхме изненадани да открием убедителни доказателства, че човешките неврони са специални“, разказва бившият студент от MIT Лу Болио-Ларош (Lou Beaulieu-Laroche) и доктор по невронауки в Станфорд.
Болио-Ларош е водещ автор на изследването, публикувано на 10 ноември 2021 г. в Nature.
Строителен план
Невроните в мозъка на бозайниците могат да получават електрически сигнали от хиляди други клетки и този вход определя дали те ще изпускат електрически импулс, наречен "нервен импулс". През 2018 г. Харнет и Болио-Ларош откриват, че невроните на хората и плъховете се различават по някои от техните електрически свойства, главно в части от неврона, наречени дендрити - дървовидни антени, които приемат и обработват входа от други клетки.
Една от констатациите от това проучване е, че човешките неврони имат по-ниска плътност на йонните канали, отколкото невроните в мозъка на плъх. Изследователите са изненадани от това наблюдение, тъй като обикновено се приемаше, че плътността на йонните канали е една и съща при различните видове. В новото си проучване Харнет и Болио-Ларош решават да сравнят неврони от няколко различни вида бозайници, за да видят дали могат да намерят някакви модели, които управляват експресията на йонните канали. Те изучават два вида потенциалзависими калиеви канали и HCN канала, който провежда както калий, така и натрий, в слой 5 пирамидални неврони, вид възбуждащи неврони, открити в кората на мозъка.
Изследователите са успели да получат мозъчна тъкан от 10 вида бозайници: етруски земеровки (Suncus etruscus), един от най-малките известни бозайници), малки гризачи, наречени монголски песчанки или монголски джербили (Meriones unguiculatus) джербили, мишки, плъхове, морски свинчета, порове, зайци, мармозети и макаци, както и човешка тъкан, отстранена от пациенти с епилепсия по време на мозъчна операция. Това разнообразие позволява на изследователите да покрият редица кортикални дебелини и размери на невроните в царството на бозайниците.
Те откриват, че при почти всеки вид бозайници, които са разгледали, плътността на йонните канали се е увеличила с увеличаване на размера на невроните. Единственото изключение от този модел е при човешки неврони, които имат много по-ниска плътност на йонните канали от очакваното.
Увеличаването на плътността на каналите при различните видове бе изненадващо, разказва Харнет, защото колкото повече канали има, толкова повече енергия е необходима за изпомпване на йони в и извън клетката. Но това започна да има смисъл, след като изследователите обръщат внимание на броя на каналите в общия обем на кората, отбелязва той Харнет.
В малкия мозък на етруската землеровка, който е пълен с много малки неврони, има повече неврони в единица обем тъкан, отколкото в същия обем тъкан от мозъка на заека, който има много по-големи неврони. Но тъй като заешките неврони имат по-висока плътност на йонните канали, плътността на каналите в даден обем тъкан е еднаква и при двата вида, или при всеки от животинските видове (без човека), анализирани от изследователите.
„Този строителен план е последователен за девет различни вида бозайници“, разказва Харнет. „Изглежда сякаш, че кората се опитва да запази броя на йонните канали на единица обем еднакъв във всички видове. Това означава, че за даден обем кора енергийните разходи са еднакви, поне за йонните канали.
Енергийна ефективност
Човешкият мозък обаче представлява поразително отклонение от този строителен план. Вместо повишена плътност на йонните канали, изследователите откриват драматично намаляване на очакваната плътност на йонните канали за даден обем мозъчна тъкан.
Изследователите смятат, че тази по-ниска плътност може да се е развила като начин за изразходване на по-малко енергия за изпомпване на йоните, което позволява на мозъка да използва тази енергия за нещо друго, като създаване на по-сложни синаптични връзки между невроните или задействане на нервни импулси с по-висока скорост.
„Смятаме, че хората са еволюирали от този строителен план, който преди това е ограничавал размера на кората и са измислили начин да станат по-енергийно ефективни, така че да харчат по-малко АТФ на обем в сравнение с други видове“, разказва Харнет.
Сега той се надява да проучи къде може да отиде тази допълнителна енергия и дали има специфични генни мутации, които помагат на невроните на човешката кора да постигнат тази висока ефективност. Изследователите също се интересуват от проучване дали видовете примати, които са по-тясно свързани с хората, показват подобно намаление на плътността на йонните канали.
Справка: “Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics” by Lou Beaulieu-Laroche, Norma J. Brown, Marissa Hansen, Enrique H. S. Toloza, Jitendra Sharma, Ziv M. Williams, Matthew P. Frosch, Garth Rees Cosgrove, Sydney S. Cash and Mark T. Harnett, 10 November 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04072-3
Източник: Study finds a striking difference between neurons of humans and other mammals
Anne Trafton | MIT News Office
Още по темата
Медицина
Откритията, които ни помогнаха да разберем как усещаме света около нас
Медицина
Нобеловата награда за физиология и медицина за 2021 г. е зa откриването на рецепторите за температура и допир
Животът
Синтетични неврони използват йони, за да запазят „спомени“, точно както прави мозъкът ни
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари