Человеческий мозг резко отклоняется от нормального плана построения.
Нейроны общаются друг с другом с помощью электрических импульсов, которые генерируются ионными каналами, контролирующими поток ионов, таких как калий и натрий. В неожиданном новом открытии нейробиологи Массачусетского технологического института показали, что нейроны человека имеют гораздо меньшее количество этих каналов, чем ожидалось, по сравнению с нейронами других млекопитающих.
Исследователи предполагают, что это снижение плотности каналов, возможно, помогло человеческому мозгу развиваться более эффективно, позволяя ему направлять ресурсы на другие энергоемкие процессы, необходимые для выполнения сложных когнитивных задач.
«Если мозг может экономить энергию за счет уменьшения плотности ионных каналов, он может тратить эту энергию на другие нейронные или нейронные процессы», - говорит Марк Харнетт, доцент кафедры мозговых и когнитивных наук, член Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института и старший автор исследования.
Харнетт и его коллеги проанализировали нейроны 10 различных млекопитающих, что стало самым обширным электрофизиологическим исследованием в своем роде, и определили «строительный план», который верен для всех изученных ими видов, кроме человека. Они обнаружили, что по мере увеличения размера нейронов плотность каналов в нейронах также увеличивается.
Однако нейроны человека оказались поразительным исключением из этого правила.
«Предыдущие сравнительные исследования показали, что человеческий мозг устроен так же, как мозг других млекопитающих, поэтому мы были удивлены, обнаружив убедительные доказательства того, что человеческие нейроны особенные», - говорит бывший аспирант Массачусетского технологического института Лу Болье-Ларош.
Больё-Ларош - ведущий автор исследования, опубликованного сегодня в журнале Nature.
План здания
Нейроны в мозге млекопитающих могут получать электрические сигналы от тысяч других клеток, и этот вход определяет, будут ли они запускать электрический импульс, называемый потенциалом действия. В 2018 году Харнетт и Болье-Ларош обнаружили, что нейроны человека и крысы различаются по некоторым своим электрическим свойствам, в первую очередь в частях нейрона, называемых дендритами - древовидными антеннами, которые получают и обрабатывают входные данные от других клеток.
Одним из результатов этого исследования было то, что нейроны человека имели более низкую плотность ионных каналов, чем нейроны в мозге крысы. Исследователи были удивлены этим наблюдением, поскольку обычно предполагалось, что плотность ионных каналов постоянна для разных видов. В своем новом исследовании Харнетт и Болье-Ларош решили сравнить нейроны нескольких разных видов млекопитающих, чтобы увидеть, смогут ли они найти какие-либо закономерности, управляющие экспрессией ионных каналов. Они изучили два типа потенциалзависимых калиевых каналов и канал HCN, который проводит как калий, так и натрий, в пирамидных нейронах слоя 5, типе возбуждающих нейронов, обнаруженных в коре головного мозга.
Им удалось получить мозговую ткань от 10 видов млекопитающих: этрусских землероек (одних из самых маленьких известных млекопитающих), песчанок, мышей, крыс, морских свинок, хорьков, кроликов, мартышек и макак, а также а также ткани человека, удаленные от больных эпилепсией во время операций на головном мозге. Это разнообразие позволило исследователям охватить различные толщины коры и размеры нейронов в царстве млекопитающих.
Исследователи обнаружили, что почти у каждого вида млекопитающих плотность ионных каналов увеличивалась по мере увеличения размера нейронов. Единственным исключением из этого паттерна были нейроны человека, в которых плотность ионных каналов была гораздо ниже ожидаемой.
Увеличение плотности каналов у разных видов было неожиданным, говорит Харнетт, потому что чем больше каналов, тем больше энергии требуется для перекачки ионов в клетку и из нее. Однако это начало обретать смысл, как только исследователи начали думать о количестве каналов в общем объеме коры, говорит он.
В крохотном мозгу этрусской землеройки, набитом очень маленькими нейронами, в данном объеме ткани содержится больше нейронов, чем в том же объеме ткани мозга кролика, имеющего гораздо более крупные нейроны. Но поскольку нейроны кролика имеют более высокую плотность ионных каналов, плотность каналов в заданном объеме ткани одинакова у обоих видов или любого из нечеловеческих видов, проанализированных исследователями.
«Этот план здания одинаков для девяти различных видов млекопитающих, - говорит Харнетт. «Похоже, кора головного мозга пытается поддерживать одинаковое количество ионных каналов на единицу объема у всех видов. Это означает, что для данного объема коры энергетические затраты одинаковы, по крайней мере, для ионных каналов».
Энергоэффективность
Человеческий мозг представляет собой поразительное отклонение от этого строительного плана. Вместо увеличения плотности ионных каналов исследователи обнаружили резкое снижение ожидаемой плотности ионных каналов для данного объема мозговой ткани.
Исследователи считают, что эта более низкая плотность могла развиться как способ расходовать меньше энергии на прокачку ионов, что позволяет мозгу использовать эту энергию для чего-то другого, например, для создания более сложных синаптических связей между нейронами или возбуждения. потенциалы действия с большей скоростью.
«Мы думаем, что люди эволюционировали из этого плана строительства, который ранее ограничивал размер коры, и они нашли способ стать более энергетически эффективными, поэтому вы тратите меньше АТФ на объем по сравнению с других видов», - говорит Харнетт.
Теперь он надеется изучить, куда может идти эта дополнительная энергия, и существуют ли специфические генные мутации, которые помогают нейронам человеческой коры достичь такой высокой эффективности. Исследователи также заинтересованы в том, чтобы выяснить, демонстрируют ли виды приматов, которые более тесно связаны с человеком, подобное снижение плотности ионных каналов.
Исследование финансировалось Канадским советом по естественным наукам и инженерным исследованиям, стипендией Института друзей Макговерна, Национальным институтом общих медицинских наук, Программой стипендиатов Пола и Дейзи Сорос, Фондом Дана. Программа грантов Дэвида Махони для нейровизуализации, Национальные институты здравоохранения, Совместная программа исследовательских грантов Гарварда и Массачусетского технологического института в области фундаментальной неврологии и Сьюзан Хаар.
Другие авторы статьи включают Норма Браун, технический сотрудник Массачусетского технологического института; Марисса Хансен, бывший ученый со степенью бакалавра; Энрике Толоса, аспирант Массачусетского технологического института и Гарвардской медицинской школы; Джитендра Шарма, научный сотрудник Массачусетского технологического института; Зив Уильямс, адъюнкт-профессор нейрохирургии Гарвардской медицинской школы; Мэтью Фрош, адъюнкт-профессор патологии, медицинских наук и технологий Гарвардской медицинской школы; Гарт Риз Косгроув, заведующий отделением эпилепсии и функциональной нейрохирургии в Brigham and Women’s Hospital; и Сидней Кэш, доцент неврологии Гарвардской медицинской школы и Массачусетской больницы общего профиля.
Публикуется с разрешения MIT News. Прочтите исходную статью.