新しい研究は、人間の脳の最外層にある細胞が特別な種類の電気信号を生成し、計算能力をさらに高める可能性があることを示唆しています。さらに、研究の著者によると、この信号は人間に固有のものである可能性があり、私たちの独自の知性を説明している可能性があります。
脳細胞またはニューロンは、長い分岐ワイヤーを介してリンクし、これらのケーブルに沿ってメッセージを送って、互いに通信します。各ニューロンには、軸索と呼ばれる送信ワイヤーと、樹状突起と呼ばれる受信メッセージを受信するワイヤーの両方があります。樹状突起は、電気的活動のバーストを通じて残りのニューロンに情報を渡します。脳がどのように接続されているかに応じて、各樹状突起はその長さに沿って他のニューロンから数十万の信号を受信する可能性があります。科学者はこれらの電気的スパイクが脳の配線を助け、学習や記憶などの能力の根底にあると信じている一方で、人間の認知における樹状突起の正確な役割は謎のままです。
現在、研究者は人間の樹状突起における電気スパイクの新しい味を発見しました-単一のニューロンがそれ自体で取り組むには複雑すぎると細胞が計算を実行することを可能にするかもしれないと彼らが考えるもの。ジャーナルScienceで1月3日に発行されたこの研究は、新たに発見された電気的特性は人間以外の動物組織では決して観察されておらず、信号が人間の知能または霊長類の信号に一意に寄与しているかどうかという疑問を提起しました。進化のいとこ。
奇妙な信号
これまで、ほとんどの樹状突起の研究はヒトの脳細胞と基本的な特性を共有するげっ歯類の組織で行われてきたと研究の共著者であるベルリンのフンボルト大学の生物学部の教授であるマシュー・ラークム氏は語った。しかし、人間のニューロンは、マウスで見られるニューロンの約2倍の長さを測定する、と彼は言った。
「つまり、電気信号は2倍の距離を移動する必要がある」とLarkumはLive Scienceに語った。 「電気的特性に変化がなければ、それは、人間では同じシナプス入力がかなり強力でなくなることを意味します。」言い換えると、樹状突起が受け取る電気的スパイクは、ニューロンの細胞体に到達するまでに大幅に弱まります。
そこで、Larkumと彼の同僚は、これらの長い樹状突起が実際に信号を効果的に送信する方法を確認するために、人間のニューロンの電気的特性を明らかにしようと試みました。
これは簡単な作業ではありませんでした。
第一に、研究者は悪名高い希少資源である人間の脳組織サンプルを手に入れなければなりませんでした。チームは、てんかんや腫瘍患者の脳からスライスされたニューロンを治療の一部として使用することになりました。チームは、いくつかの異なる層を含む、しわのある脳の外皮である大脳皮質から切除されたニューロンに焦点を当てました。科学の声明によると、人間の場合、これらの層は樹状突起の密なネットワークを保持し、非常に厚く成長します。
「組織を入手する頻度は非常に低いため、目の前にあるもので作業する必要があります」とラークム氏は語った。そして、あなたは速く働かなければならない、と彼は付け加えました。人体の外では、酸素不足の脳細胞は約2日間しか生存できません。この限られた時間枠を最大限に活用するために、Larkumと彼のチームは、可能な限り与えられたサンプルから測定値を収集し、24時間連続して作業することもありました。
これらの実験的なマラソン中に、チームは脳組織をスライスに切り刻み、その中に含まれる樹状突起に穴をつつきました。これらの穴を通して薄いガラスピペットを突き刺すことにより、研究者はイオンまたは荷電粒子を樹状突起に注入し、それらがどのように電気的活動を変化させるかを観察することができました。予想通り、刺激された樹状突起は電気的活動のスパイクを生成しましたが、これらの信号は以前に見られたものとは非常に異なって見えました。
各スパイクは、ほんの少しの時間（約1ミリ秒）だけ点火しました。げっ歯類の組織では、このタイプの超短スパイクは、電気活動の特定の蓄積によってトリガーされるナトリウムの洪水が樹状突起に入ったときに発生します。カルシウムはげっ歯類の樹状突起にスパイクを引き起こすこともありますが、これらの信号はナトリウムのスパイクよりも50倍から100倍長く続く傾向があるとラークム氏は言います。チームが人間の組織で見たものは、しかし、2つの奇妙なハイブリッドであるように見えました。
「それはナトリウムの出来事のように見えたが、それは実際にはカルシウムの出来事であった」とラークムは言った。チームメンバーは、ナトリウムがサンプルの樹状突起に入るのを防ぐとどうなるかをテストし、スパイクが衰えずに発砲し続けることを発見しました。さらに、スーパーショートスパイクが次々と急速に連続して発生しました。しかし、研究者がカルシウムがニューロンに入るのをブロックしたとき、スパイクは短く止まりました。科学者たちは、持続時間はナトリウムに類似しているがカルシウムによって制御されているまったく新しい種類のスパイクに出くわしたと結論付けました。
「これらは他の哺乳類からこれまでに知られているものとは異なって見えます」と研究に関与しなかったカリフォルニア大学ロサンゼルス校の神経学、神経生物学物理学および天文学の教授であるマヤンクメタは言った。大きな問題は、これらのスパイクが実際の脳機能とどのように関連するかということです。
計算力発電所
Larkumと彼の同僚は、スライスしたサンプルが無傷の人間の脳内でどのように動作するかをテストできなかったため、結果に基づいてコンピューターモデルを設計しました。脳では、樹状突起は近くのニューロンからその長さに沿って信号を受信し、それらを押してスパイクを生成するか、そうしないようにします。同様に、チームは長さに沿って数千の異なるポイントから刺激または抑制できるデジタル樹状突起を設計しました。歴史的に、研究は樹状突起が時間の経過とともにこれらの反対の信号を集計し、興奮性信号の数が抑制性の信号を上回ったときにスパイクを発射することを示唆しています。
しかし、デジタル樹状突起はこのようにまったく振る舞いませんでした。
「よく見てみると、この奇妙な現象があることがわかりました」とラークム氏は語った。デンドライトが受け取った興奮性信号が多いほど、スパイクを生成する可能性は低くなります。代わりに、特定の樹状突起の各領域は、特定のレベルの刺激に応答するように「調整」されているように見えます。
しかし、これは実際の脳機能に関して何を意味するのでしょうか？つまり、樹状突起はその長さに沿ってありとあらゆる点で情報を処理し、送信する情報、破棄する情報、単独で処理する情報を決定する統合ネットワークとして機能している可能性がある、とLarkumは述べています。
「細胞が単に物事を追加しているようには見えない-それはまた物事を捨てている」とメタはLive Scienceに語った。 （この場合、「捨てる」信号は、樹状突起領域の「スイートスポット」に適切に調整されない興奮性信号です。）この計算超能力により、樹状突起はニューラルネットワーク全体の働きと考えられていた機能を引き受けることができます。 ;たとえば、メタは、個々の樹状突起が記憶をエンコードすることさえできると理論づけています。
かつて、神経科学者たちは、ニューロンのネットワーク全体が連携してこれらの複雑な計算を実行すると考え、グループとして応答する方法を決定しました。今では、個々の樹状突起がこの正確なタイプの計算をすべて自分で行っているようです。
人間の脳だけがこの印象的な計算能力を持っているのかもしれませんが、ラーカムは、確かに言うには早すぎると言いました。彼と彼の同僚は、それが過去の研究で見落とされていた場合に備えて、げっ歯類でこの神秘的なカルシウムスパイクを探したいと思っています。彼はまた、霊長類での同様の研究に協力して、ヒト樹状突起の電気的特性が私たちの進化的親族のものと類似しているかどうかを確認したいと考えています。
これらのスパイクが人間を他の哺乳類よりも特別な、またはより知的なものにする可能性は非常に低いと、メタは言った。げっ歯類の脳も脳の特定の領域に特定のスパイクを生成するため、新たに発見された電気的特性は、人間の大脳皮質のL2 / 3ニューロンに固有である可能性があります。
過去の研究で、Mehtaは齧歯類の樹状突起も正確な機能が不明なままである多種多様なスパイクを生成することを発見しました。興味深いのは、これらのスパイクのほんの一部だけが、それらが差し込まれた細胞体で実際に反応を引き起こすということです。げっ歯類のニューロンでは、樹状突起のスパイクの約90％が細胞体からの電気信号を促さないため、げっ歯類とヒトの両方の樹状突起が、私たちがまだ理解していない方法で独立して情報を処理している可能性があります。
学習と記憶に関する私たちの理解の多くは、ニューロンの細胞体とその出力ケーブルである軸索で生成された電気的活動に関する研究に由来しています。しかし、これらの調査結果は、「脳のスパイクの大部分が樹状突起で起こっている可能性があることを示唆している」とメタは述べた。 「これらのスパイクは学習のルールを変える可能性があります。」
編集者注：このストーリーは1月9日に更新され、新しく発見された電気信号が人間に固有のものであるかどうかに関するMayank Mehta博士の声明が明確になりました。
