Cellen genesteld in de buitenste lagen van het menselijk brein genereren een speciaal soort elektrisch signaal dat hen een extra boost aan rekenkracht zou kunnen geven, suggereert nieuw onderzoek. Bovendien kan dit signaal uniek zijn voor mensen - en kan het onze unieke intelligentie verklaren, aldus de auteurs van het onderzoek.
Hersencellen of neuronen verbinden zich via lange, vertakte draden en pendelberichten langs deze kabels om met elkaar te communiceren. Elk neuron heeft zowel een uitgaande draad, een axon genaamd, als een draad die inkomende berichten ontvangt, ook wel een dendriet genoemd. De dendriet geeft informatie door aan de rest van het neuron door uitbarstingen van elektrische activiteit. Afhankelijk van hoe de hersenen zijn aangesloten, kan elke dendriet langs de lengte honderdduizenden signalen van andere neuronen ontvangen. Hoewel wetenschappers geloven dat deze elektrische pieken de hersenen helpen bedraden en mogelijk ten grondslag liggen aan vaardigheden als leren en geheugen, blijft de exacte rol van dendrieten in de menselijke cognitie een mysterie.
Nu hebben onderzoekers een nieuwe smaak van elektrische piek in menselijke dendrieten ontdekt - een waarvan ze denken dat ze de cellen in staat zouden kunnen stellen berekeningen uit te voeren als ze eenmaal te complex waren om door één neuron alleen te worden aangepakt. De studie, gepubliceerd op 3 januari in het tijdschrift Science, merkt op dat de hernieuwde elektrische eigenschap nooit is waargenomen in enig dierlijk weefsel anders dan menselijk, wat de vraag oproept of het signaal op unieke wijze bijdraagt aan de menselijke intelligentie of aan dat van primaten, onze evolutionaire neven.
Een vreemd signaal
Tot nu toe zijn de meeste dendrietstudies uitgevoerd in knaagdierweefsel, dat de basiseigenschappen deelt met menselijke hersencellen, zei co-auteur Matthew Larkum, professor aan de afdeling biologie aan de Humboldt Universiteit in Berlijn. Menselijke neuronen meten echter ongeveer twee keer zo lang als die in een muis, zei hij.
"Dat betekent dat de elektrische signalen twee keer zo ver moeten reizen", vertelde Larkum aan WordsSideKick.com. 'Als de elektrische eigenschappen niet zouden veranderen, zou dat betekenen dat bij de mens dezelfde synaptische inputs een stuk minder krachtig zouden zijn.' Met andere woorden, elektrische pieken die door een dendriet worden opgevangen, zouden aanzienlijk verzwakken tegen de tijd dat ze het cellichaam van het neuron bereikten.
Dus Larkum en zijn collega's gingen op zoek naar de elektrische eigenschappen van menselijke neuronen om te zien hoe deze langere dendrieten daadwerkelijk signalen effectief verzenden.
Dit was geen gemakkelijke taak.
Eerst moesten de onderzoekers monsters van menselijk hersenweefsel in handen krijgen, een notoir schaars goed. Het team gebruikte uiteindelijk neuronen die uit de hersenen van epilepsie- en tumorpatiënten waren gesneden als onderdeel van hun medische behandeling. Het team richtte zich op neuronen die zijn verwijderd uit de hersenschors, de gerimpelde buitenkant van de hersenen die verschillende afzonderlijke lagen bevat. Bij mensen bevatten deze lagen dichte netwerken van dendrieten en worden ze extreem dik, een eigenschap die 'fundamenteel kan zijn voor wat ons menselijk maakt', volgens een verklaring van Science.
'Je krijgt het weefsel maar heel zelden, dus je moet gewoon werken met wat er voor je ligt,' zei Larkum. En je moet snel werken, voegde hij eraan toe. Buiten het menselijk lichaam blijven de zuurstofarme hersencellen slechts ongeveer twee dagen levensvatbaar. Om optimaal gebruik te maken van dit beperkte tijdvenster, verzamelden Larkum en zijn team zo lang mogelijk metingen van een bepaald monster, soms 24 uur achter elkaar.
Tijdens deze experimentele marathons hakte het team hersenweefsel in plakjes en prikte gaten in de dendrieten erin. Door dunne glazen pipetten door deze gaten te steken, konden de onderzoekers ionen of geladen deeltjes in de dendrieten injecteren en observeren hoe ze veranderden in elektrische activiteit. Zoals verwacht genereerden de gestimuleerde dendrieten pieken van elektrische activiteit, maar deze signalen zagen er heel anders uit dan ooit tevoren.
Elke piek ontbrandde slechts voor een korte periode - ongeveer een milliseconde. In knaagdierweefsel treedt dit type supershort-piek op wanneer een vloed van natrium een dendriet binnengaat, veroorzaakt door een specifieke accumulatie van elektrische activiteit. Calcium kan ook pieken in dendrieten van knaagdieren veroorzaken, maar deze signalen hebben de neiging 50 tot 100 keer langer mee te gaan dan natriumpieken, zei Larkum. Wat het team in menselijk weefsel zag, leek echter een vreemde hybride van de twee.
'Hoewel het op een natriumgebeurtenis leek, was het eigenlijk een calciumgebeurtenis', zei Larkum. De teamleden testten wat er zou gebeuren als ze zouden voorkomen dat natrium hun monster-dendrieten binnendrong en ontdekten dat de pieken onverminderd bleven vuren. Bovendien schoten de supershort-pieken snel achter elkaar af, de een na de ander. Maar toen de onderzoekers blokkeerden dat calcium de neuronen niet binnenkwam, stopten de pieken kort. De wetenschappers concludeerden dat ze op een gloednieuwe klasse van spijkers waren gestuit, een soort die qua duur vergelijkbaar was met natrium, maar onder controle van calcium.
"Deze zien er anders uit dan wat we tot nu toe van andere zoogdieren hebben geweten", zegt Mayank Mehta, een professor in de afdelingen neurologie, neurobiologische fysica en astronomie aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, die niet bij de studie betrokken was. De grote vraag is, hoe verhouden deze pieken zich tot de werkelijke hersenfunctie, zei hij.
Computationele krachtpatsers
Larkum en zijn collega's konden niet testen hoe hun in plakjes gesneden monsters zich zouden kunnen gedragen in een intact menselijk brein, dus ontwikkelden ze een computermodel op basis van hun resultaten. In de hersenen ontvangen dendrieten signalen over hun lengte van nabijgelegen neuronen die ze kunnen pushen om een piek te genereren of om te voorkomen dat ze dat doen. Evenzo ontwierp het team digitale dendrieten die vanaf duizenden verschillende punten langs hun lengte kunnen worden gestimuleerd of geremd. Historisch gezien suggereren studies dat dendrieten deze tegengestelde signalen in de loop van de tijd optellen en een piek afvuren wanneer het aantal exciterende signalen groter is dan de remmende signalen.
Maar de digitale dendrieten gedroegen zich helemaal niet zo.
'Toen we goed keken, konden we zien dat er een vreemd fenomeen was', zei Larkum. Hoe meer prikkelende signalen een dendriet ontving, hoe kleiner de kans dat hij een piek zou genereren. In plaats daarvan leek elke regio in een bepaalde dendriet "afgestemd" om te reageren op een specifiek stimulatieniveau - niet meer en niet minder.
Maar wat betekent dit in termen van feitelijke hersenfunctie? Het betekent dat dendrieten op elk punt van hun lengte informatie kunnen verwerken en als een verenigd netwerk werken om te beslissen welke informatie moet worden verzonden, welke moet worden verwijderd en welke alleen moet worden verwerkt, zei Larkum.
"Het ziet er niet naar uit dat de cel alleen dingen bij elkaar optelt, maar ook dingen weggooit", vertelde Mehta aan WordsSideKick.com. (In dit geval zouden de "wegwerp" -signalen prikkelende signalen zijn die niet goed zijn afgestemd op de "sweet spot" van het dendritische gebied.) Deze computationele superkracht zou dendrieten in staat kunnen stellen functies over te nemen waarvan men dacht dat ze het werk waren van hele neurale netwerken ; Mehta theoretiseert bijvoorbeeld dat individuele dendrieten zelfs herinneringen kunnen coderen.
Eens dachten neurowetenschappers dat hele netwerken van neuronen samenwerkten om deze complexe berekeningen uit te voeren en besloten ze hoe ze als groep moesten reageren. Nu lijkt het erop dat een individuele dendriet dit exacte type berekening helemaal alleen doet.
Het kan zijn dat alleen het menselijk brein deze indrukwekkende rekenkracht bezit, maar Larkum zei dat het te vroeg is om het met zekerheid te zeggen. Hij en zijn collega's willen op zoek naar deze mysterieuze calciumpiek bij knaagdieren, voor het geval deze in het verleden is over het hoofd gezien. Hij hoopt ook samen te werken aan soortgelijke studies bij primaten om te zien of de elektrische eigenschappen van menselijke dendrieten vergelijkbaar zijn met die van onze evolutionaire familieleden.
Het is zeer onwaarschijnlijk dat deze pieken mensen speciaal of intelligenter maken dan andere zoogdieren, zei Mehta. Het kan zijn dat de nieuw ontdekte elektrische eigenschap uniek is voor L2 / 3-neuronen in de menselijke hersenschors, aangezien de knaagdierhersenen ook specifieke spikes produceren in bepaalde hersengebieden, voegde hij eraan toe.
In eerder onderzoek ontdekte Mehta dat knaagdierendendrieten ook een grote verscheidenheid aan spikes genereren waarvan de exacte functie onbekend blijft. Wat interessant is, is dat slechts een fractie van deze pieken daadwerkelijk een reactie veroorzaakt in het cellichaam waarop ze aansluiten, zei hij. In knaagdierneuronen veroorzaakt ongeveer 90 procent van de dendritische pieken geen elektrische signalen van het cellichaam, wat suggereert dat dendrieten bij zowel knaagdieren als mensen mogelijk onafhankelijk informatie verwerken, op manieren die we nog niet begrijpen.
Veel van ons begrip van leren en geheugen komt voort uit onderzoek naar elektrische activiteit die wordt gegenereerd in het neuroncellichaam en de uitgangskabel, het axon. Maar deze bevindingen suggereren dat "het kan zijn dat de meeste pieken in de hersenen plaatsvinden in de dendrieten", zei Mehta. 'Die pieken kunnen de leerregels veranderen.'
Noot van de redacteur: dit verhaal is op 9 januari bijgewerkt om een verklaring van Dr. Mayank Mehta te verduidelijken over de vraag of het nieuwe elektrische signaal mogelijk uniek is voor mensen.
