Una nuova ricerca suggerisce che le cellule immerse negli strati più esterni del cervello umano generano un tipo speciale di segnale elettrico che potrebbe garantire loro un ulteriore potenziamento della potenza di calcolo. Inoltre, questo segnale potrebbe essere unico per l'uomo - e potrebbe spiegare la nostra intelligenza unica, secondo gli autori dello studio.
Le cellule cerebrali, o neuroni, si collegano attraverso lunghi fili ramificati e messaggi shuttle lungo questi cavi per comunicare tra loro. Ogni neurone ha sia un filo in uscita, chiamato assone, sia un filo che riceve messaggi in arrivo, noto come dendrite. Il dendrite trasmette informazioni al resto del neurone attraverso esplosioni di attività elettrica. A seconda di come è collegato il cervello, ciascun dendrite può ricevere centinaia di migliaia di segnali da altri neuroni lungo la sua lunghezza. Mentre gli scienziati credono che questi picchi elettrici aiutino a collegare il cervello e possano essere alla base di abilità come l'apprendimento e la memoria, l'esatto ruolo dei dendriti nella cognizione umana rimane un mistero.
Ora, i ricercatori hanno scoperto un nuovo sapore di picco elettrico nei dendriti umani - uno che pensano potrebbe consentire alle cellule di eseguire calcoli una volta considerati troppo complessi per un singolo neurone da affrontare da solo. Lo studio, pubblicato il 3 gennaio sulla rivista Science, osserva che la nuova proprietà elettrica non è mai stata osservata in nessun tessuto animale diverso dall'uomo, sollevando la questione se il segnale contribuisca in modo univoco all'intelligenza umana o a quella dei primati, il nostro cugini evolutivi.
Uno strano segnale
Fino ad ora, la maggior parte degli studi sui dendrite sono stati condotti nel tessuto dei roditori, che condivide le proprietà di base con le cellule cerebrali umane, ha affermato il co-autore Matthew Larkum, professore nel dipartimento di biologia dell'Università Humboldt di Berlino. Tuttavia, i neuroni umani misurano circa il doppio di quelli trovati in un topo, ha detto.
"Ciò significa che i segnali elettrici devono viaggiare due volte più lontano", ha detto Larkum a Live Science. "Se non ci fosse alcun cambiamento nelle proprietà elettriche, ciò significherebbe che, negli umani, gli stessi input sinaptici sarebbero un po 'meno potenti." In altre parole, i picchi elettrici ricevuti da un dendrite si indebolirebbero significativamente quando raggiungessero il corpo cellulare del neurone.
Quindi Larkum e i suoi colleghi hanno iniziato a scoprire le proprietà elettriche dei neuroni umani per vedere come questi dendriti più lunghi riescono effettivamente a inviare segnali in modo efficace.
Non è stato un compito facile.
In primo luogo, i ricercatori hanno dovuto mettere le mani su campioni di tessuto cerebrale umano, una risorsa notoriamente scarsa. Il team ha finito per usare neuroni che erano stati tagliati dal cervello di pazienti con epilessia e tumore come parte del loro trattamento medico. Il team si è concentrato sui neuroni resecati dalla corteccia cerebrale, l'esterno rugoso del cervello che contiene diversi strati distinti. Nell'uomo, questi strati contengono fitte reti di dendriti e diventano estremamente spessi, un attributo che può essere "fondamentale per ciò che ci rende umani", secondo un'affermazione della Scienza.
"Ottieni il tessuto molto raramente, quindi devi solo lavorare con ciò che ti sta di fronte", ha detto Larkum. E devi lavorare velocemente, ha aggiunto. Fuori dal corpo umano, le cellule cerebrali affamate di ossigeno rimangono vitali per circa due giorni. Per sfruttare appieno questa finestra temporale limitata, Larkum e il suo team raccoglievano le misurazioni da un determinato campione il più a lungo possibile, a volte lavorando per 24 ore di fila.
Durante queste maratone sperimentali, il team ha tagliato il tessuto cerebrale a fette e ha fatto buchi nei dendriti contenuti all'interno. Attaccando sottili pipette di vetro attraverso questi fori, i ricercatori hanno potuto iniettare ioni o particelle cariche nei dendriti e osservare come sono cambiati nell'attività elettrica. Come previsto, i dendriti stimolati hanno generato picchi di attività elettrica, ma questi segnali sembravano molto diversi da quelli visti prima.
Ogni picco si è acceso per un breve periodo di tempo - circa un millisecondo. Nel tessuto dei roditori, questo tipo di picco supershort si verifica quando un'inondazione di sodio entra in un dendrite, innescato da un particolare accumulo di attività elettrica. Il calcio può anche innescare picchi nei dendriti di roditori, ma questi segnali tendono a durare da 50 a 100 volte più a lungo dei picchi di sodio, ha detto Larkum. Ciò che la squadra vide nel tessuto umano, tuttavia, sembrava essere uno strano ibrido dei due.
"Anche se sembrava un evento di sodio, in realtà era un evento di calcio", ha detto Larkum. I membri del team hanno testato cosa sarebbe successo se avessero impedito al sodio di entrare nei loro dendriti campione e hanno scoperto che i picchi continuavano a sparare senza sosta. Inoltre, i picchi di supershort spararono in rapida successione, uno dopo l'altro. Ma quando i ricercatori hanno bloccato l'ingresso di calcio nei neuroni, i picchi si sono interrotti. Gli scienziati hanno concluso di essersi imbattuti in una nuova classe di spike, una durata simile al sodio ma controllata dal calcio.
"Questi sembrano diversi da qualsiasi cosa abbiamo conosciuto finora dagli altri mammiferi", ha detto Mayank Mehta, professore nei dipartimenti di neurologia, fisica neurobiologica e astronomia all'Università della California, Los Angeles, che non è stato coinvolto nello studio. La grande domanda è: come si collegano questi picchi con l'effettiva funzione cerebrale, ha detto.
Poteri computazionali
Larkum e i suoi colleghi non sono stati in grado di testare come i loro campioni frammentati potrebbero comportarsi in un cervello umano intatto, quindi hanno progettato un modello di computer basato sui loro risultati. Nel cervello, i dendriti ricevono segnali lungo la loro lunghezza dai neuroni vicini che possono spingerli a generare un picco o impedire loro di farlo. Allo stesso modo, il team ha progettato dendriti digitali che possono essere stimolati o inibiti da migliaia di punti diversi lungo la loro lunghezza. Storicamente, gli studi suggeriscono che i dendriti aumentano nel tempo questi segnali opposti e generano un picco quando il numero di segnali eccitatori supera quelli inibitori.
Ma i dendriti digitali non si sono comportati in questo modo.
"Quando abbiamo guardato da vicino, abbiamo potuto vedere che c'era questo strano fenomeno", ha detto Larkum. Più segnali eccitatori ha ricevuto un dendrite, meno è probabile che sia stato generato un picco. Invece, ogni regione in un dato dendrite sembrava "sintonizzata" per rispondere a un livello specifico di stimolazione - né più né meno.
Ma cosa significa questo in termini di effettiva funzione cerebrale? Significa che i dendriti possono elaborare le informazioni in ogni punto lungo la loro lunghezza, lavorando come una rete unificata per decidere quali informazioni inviare, quali scartare e quali gestire da sole, Larkum ha detto.
"Non sembra che la cella stia solo aggiungendo delle cose, ma sta anche gettando via le cose", ha detto Mehta a Live Science. (In questo caso, i segnali "buttati via" sarebbero segnali eccitatori che non sono correttamente sintonizzati sul "punto debole" della regione dendritica.) Questa superpotenza computazionale potrebbe consentire ai dendriti di assumere funzioni una volta che si pensa che siano il lavoro di intere reti neurali ; per esempio, Mehta teorizza che i singoli dendriti potrebbero persino codificare i ricordi.
Una volta, i neuroscienziati pensavano che intere reti di neuroni lavorassero insieme per eseguire questi calcoli complessi e decisero come rispondere in gruppo. Ora, sembra che un singolo dendrite esegua esattamente questo tipo di calcolo da solo.
Può darsi che solo il cervello umano possieda questo impressionante potere computazionale, ma Larkum ha detto che è troppo presto per dirlo con certezza. Lui e i suoi colleghi vogliono cercare questo misterioso picco di calcio nei roditori, nel caso in cui sia stato trascurato nelle ricerche precedenti. Spera anche di collaborare a studi simili sui primati per vedere se le proprietà elettriche dei dendriti umani sono simili a quelle dei nostri parenti evolutivi.
È molto improbabile che questi picchi rendano gli esseri umani speciali o più intelligenti di altri mammiferi, ha detto Mehta. Può darsi che la nuova proprietà elettrica sia unica per i neuroni L2 / 3 nella corteccia cerebrale umana, poiché il cervello dei roditori produce anche picchi specifici in particolari regioni del cervello, ha aggiunto.
In ricerche precedenti, Mehta ha scoperto che i dendriti dei roditori generano anche una grande varietà di punte la cui esatta funzione rimane sconosciuta. La cosa interessante è che solo una frazione di questi picchi innesca effettivamente una reazione nel corpo cellulare in cui si collegano, ha detto. Nei neuroni dei roditori, circa il 90 percento dei picchi dendritici non induce segnali elettrici dal corpo cellulare, suggerendo che i dendriti nei roditori e nell'uomo potrebbero elaborare le informazioni in modo indipendente, in modi che ancora non comprendiamo.
Gran parte della nostra comprensione dell'apprendimento e della memoria deriva dalla ricerca sull'attività elettrica generata nel corpo della cellula neuronale e nel suo cavo di uscita, l'assone. Ma questi risultati suggeriscono che "potrebbe essere che la maggior parte dei picchi nel cervello si stia verificando nei dendriti", ha detto Mehta. "Quei picchi potrebbero cambiare le regole dell'apprendimento."
Nota del redattore: questa storia è stata aggiornata il 9 gennaio per chiarire una dichiarazione del Dr. Mayank Mehta sul fatto che il nuovo segnale elettrico potrebbe essere unico per l'uomo.
