מחקרים חדשים מראים כי תאים השוכנים בשכבות החיצוניות ביותר של המוח האנושי מייצרים סוג מיוחד של אות חשמלי שעשוי להעניק להם דחיפה נוספת של כוח המחשוב. יתר על כן, איתות זה עשוי להיות ייחודי לבני אדם - והוא עשוי להסביר את האינטליגנציה הייחודית שלנו, על פי מחברי המחקר.
תאי מוח, או נוירונים, מתקשרים דרך חוטים ארוכים ומסועפים ומשדרים מסעות לאורך הכבלים הללו כדי לתקשר זה עם זה. לכל נוירון יש גם חוט יוצא, הנקרא אקסון, וגם חוט שמקבל הודעות נכנסות, המכונות דנדריט. הדנדריט מעביר מידע לשאר הנוירון דרך התפרצויות של פעילות חשמלית. בהתאם לאופן חיבור המוח, כל דנדריט עשוי לקבל מאות אלפי אותות מנוירונים אחרים לאורכו. בעוד שמדענים מאמינים כי קוצים חשמליים אלה מסייעים לחוט המוח ועלולים לבסס יכולות כמו למידה וזיכרון, תפקידם המדויק של הדנדריטים בקוגניציה אנושית נותר בגדר תעלומה.
כעת, החוקרים חשפו טעם חדש של דוקרן חשמלי בדנדריטים אנושיים - כזה שלדעתם עשוי לאפשר לתאים לבצע חישובים לאחר שנחשבו מורכבים מדי מכדי שנוירון יחיד יתמודד בעצמו. המחקר, שפורסם ב -3 בינואר בכתב העת Science, מציין כי המאפיין החשמלי החדש שנמצא מעולם לא נצפה בשום רקמה של בעלי חיים מלבד אנוש, ומעלה את השאלה האם האות תורם באופן ייחודי לאינטליגנציה אנושית, או לזה של הפרימטים, בני דודים אבולוציוניים.
אות מוזר
עד כה, מרבית מחקרי הדנדריט בוצעו ברקמות מכרסמים, החולקות תכונות בסיסיות עם תאי מוח אנושיים, אמר מחבר המחקר מתיו לארקום, פרופסור במחלקה לביולוגיה באוניברסיטת הומבולדט בברלין. עם זאת, נוירונים אנושיים מודדים בערך פי שניים מאלו שנמצאו בעכבר, אמר.
"זה אומר שהאותות החשמליים צריכים לנסוע פעמיים רחוק יותר", אמר לארקום ל- Live Science. "אם לא היה שינוי בתכונות החשמליות, זה אומר שאצל בני האדם אותם תשומות סינפטיות היו לא פחות חזקות." במילים אחרות, קוצים חשמליים שהתקבלו על ידי דנדרט יחלשו באופן משמעותי עם הגיעם לגוף התא של הנוירון.
אז לארקום ועמיתיו התכוונו לחשוף את התכונות החשמליות של נוירונים אנושיים כדי לראות כיצד הדנדריטים הארוכים יותר האלה מצליחים למעשה להעביר איתותים בצורה יעילה.
זו לא הייתה משימה קלה.
ראשית, החוקרים נאלצו לשים יד על דגימות רקמות אנושיות במוח, משאב נדיר לשמצה. הצוות בסופו של דבר השתמש בנוירונים שנפרסו ממוחם של חולי אפילפסיה וגידולים כחלק מהטיפול הרפואי שלהם. הצוות התמקד בנוירונים שנבדקו מקליפת המוח, החלק החיצוני המקומט של המוח המכיל כמה שכבות שונות. בבני אדם שכבות אלה מחזיקות רשתות צפופות של דנדריטים וגדלות להיות עבות ביותר, תכונה שעשויה להיות "בסיסית למה שהופך אותנו לאנושיים", על פי הצהרה של המדע.
"אתה מקבל את הרקמה לעתים רחוקות מאוד, אז אתה פשוט צריך לעבוד עם מה שמולך", אמר לארקום. וצריך לעבוד מהר, הוסיף. מחוץ לגוף האדם, תאי המוח המורעבים בחמצן נשארים בת קיימא במשך יומיים בלבד. כדי לנצל את מלוא חלון הזמן המצומצם הזה, לארקום וצוותו היו אוספים מדידות מדגם נתון כל עוד הם יכולים, ולעיתים עובדים במשך 24 שעות רצופות.
במהלך המרתונים הניסיוניים הללו, הקבוצה קצרה את רקמת המוח לפרוסות ותקע חורים בדנדריטים הכלולים בתוכם. על ידי הדבקת פיפטות זכוכית דקות דרך החורים הללו, החוקרים יכלו להזריק יונים, או חלקיקים טעונים, לדנדריטים ולבחון כיצד הם השתנו בפעילות החשמלית. כצפוי, הדנדריטים המעוררים יצרו קוצים של פעילות חשמלית, אך אותות אלה נראו שונים מאוד מכל שנראה בעבר.
כל דוקרן הצית לפרק זמן קצר בלבד - בערך אלפיות השנייה. ברקמות מכרסמים, סוג זה של ספייק-על-קצר מופיע כאשר שיטפון של נתרן נכנס לדנדריט, המופעל על ידי הצטברות מסוימת של פעילות חשמלית. סידן יכול גם לעורר דוקרנים בדנדריטים מכרסמים, אך אותות אלה נוטים להימשך פי 50 עד מאה מאשר קוצים נתרן, אמר לארקום. אולם, מה שהצוות ראה ברקמות אנושיות, נראה היה הכלאה מוזרה של השניים.
"למרות שזה נראה כמו אירוע נתרן, זה היה למעשה אירוע סידן", אמר לארקום. חברי הצוות בדקו מה יקרה אם הם ימנעו מכניסה של נתרן לדנדריטים המדגימים שלהם ומצאו כי הדוקרנים המשיכו לירות ללא הפוגה. יתרה מזאת, הדוקרנים העל קצביים ירו ברצף מהיר בזה אחר זה. אך כאשר החוקרים חסמו את כניסת הסידן לנוירונים, הדוקרנים הפסיקו להפסיק. המדענים הגיעו למסקנה כי הם מעדו על סוג חדש של דוקרן, כזה שדומה לאורך זמן לנתרן אך נשלט על ידי סידן.
מיאנק מהטה, פרופסור במחלקות לנוירולוגיה, פיסיקה נוירוביולוגיה ואסטרונומיה באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס, לא אמר מעורב במחקר. השאלה הגדולה היא, איך הדוקרנים הללו קשורים לתפקוד מוחי בפועל, אמר.
תחנות כוח חישוביות
לארקום ועמיתיו לא יכלו לבדוק כיצד הדגימות הפרוסות שלהם עלולות להתנהג במוח אנושי שלם, ולכן הם הנדסו מודל מחשב על סמך תוצאותיהם. במוח דנדריטים מקבלים אותות לאורכם מהנוירונים הסמוכים שיכולים לדחוף אותם לייצר דוקרן או למנוע מהם לעשות זאת. באופן דומה, הצוות תכנן דנדריטים דיגיטליים שניתן לעורר או לעכב מאלפי נקודות שונות לאורכם. מבחינה היסטורית, מחקרים מצביעים על כך שדנדריטים מעלים את האותות המנוגדים הללו לאורך זמן ומעלים דוקרן כאשר מספר האותות המעוררים עולה על האותיות המעכבות.
אבל הדנדריטים הדיגיטליים כלל לא התנהגו כך.
"כאשר התבוננו מקרוב יכולנו לראות שיש תופעה מוזרה זו", אמר לארקום. ככל שהאותות המעוררים יותר קיבל דנדריט, כך הסבירות הייתה ליצור דוקרן. במקום זאת, כל אזור בדנדריט נתון נראה "מכוון" להגיב לרמת גירוי ספציפית - לא יותר, לא פחות.
אבל מה זה אומר מבחינת תפקוד מוחי בפועל? משמעות הדבר היא שדנדריטים עשויים לעבד מידע בכל נקודה ונקודה לאורכם, ועבדו כרשת אחידה כדי להחליט איזה מידע ישלח, לאיזה מחק ואילו לטפל לבד, אמר לארקום.
"זה לא נראה שהתא רק מוסיף דברים - זה גם זורק דברים", אמר מהטה לחברת Live Science. (במקרה זה, האותות "זורקים" יהיו אותות מרגשים שאינם מכוונים כראוי ל"נקודה המתוקה "של האזור הדנדריטי.) מעצמת העל החישובית הזו יכולה לאפשר לדנדריטים לקחת על עצמם פונקציות שנחשבו כעבודה של רשתות עצביות שלמות. ; למשל, מהטה תיאורטיקה שדנדריטים בודדים יכולים אפילו לקודד זיכרונות.
פעם, מדעני המוח חשבו שרשתות שלמות של נוירונים עובדים יחד כדי לבצע את החישובים המורכבים הללו והחליטו כיצד להגיב כקבוצה. כעת, נראה כי דנדריט אינדיבידואלי עושה את החישוב המדויק הזה לבדו.
יכול להיות שרק למוח האנושי יש כוח חישובי מרשים זה, אבל לארקום אמר שמוקדם מדי לומר בוודאות. הוא ועמיתיו רוצים לחפש את קפיצת הסידן המסתורית הזו במכרסמים, למקרה שלא התעלם ממחקרי עבר. הוא גם מקווה לשתף פעולה במחקרים דומים בפרימטים כדי לבדוק אם התכונות החשמליות של דנדריטים אנושיים דומות לאלו של קרובי משפחתנו האבולוציוניים.
לא סביר מאוד שדוקרנים אלו הופכים את בני האדם למיוחדים או חכמים יותר מאשר יונקים אחרים, אמר מהטה. יכול להיות שהמאפיין החשמלי החדש, המיוחד, ייחודי לנוירונים L2 / 3 בקליפת המוח האנושית, שכן מוח המכרסם מייצר גם קוצים ספציפיים באזורים מסוימים במוח, הוסיף.
במחקר שנערך בעבר מצא מהטה כי דנדריטים מכרסמים מייצרים גם מגוון רחב של דוקרנים שתפקידם המדויק נותר בלתי ידוע. המעניין הוא שרק חלק מהדוקרנים האלה למעשה מפעילים תגובה בגוף התא אליו הם מתחברים, אמר. בנוירונים של מכרסמים, בערך 90 אחוז מהדוקרנים הדנדריטים אינם מפנים אותות חשמליים מגוף התא, מה שמרמז כי דנדריטים אצל מכרסמים וגם אצל בני אדם עשויים לעבד מידע באופן עצמאי, בדרכים שעדיין איננו מבינים.
חלק גדול מההבנה שלנו של למידה וזיכרון נובעת ממחקר על פעילות חשמלית הנוצרת בגוף התא הנוירוני וכבל הפלט שלו, האקסון. אולם ממצאים אלה מראים כי "יתכן שרוב הדוקרנים במוח מתרחשים בדנדריטים", אמר מהטה. "הדוקרנים האלה יכולים לשנות את כללי הלמידה."
הערת העורך: סיפור זה עודכן ב -9 בינואר כדי להבהיר הצהרה של ד"ר מיינק מהטה בנוגע לשאלה האם האות החשמלי החדש שנברא עשוי להיות ייחודי לבני אדם.
