- A group of researchers has discovered that human neurons have significantly fewer ion channels than other mammalian neurons.
- The lower density of ion channels may contribute to the more efficient brain function in humans.
- The neuroscientists findings pave the way for future research into the evolutionary forces behind this distinction.
Neurons are the building blocks of the central nervous system, which includes the brain and spinal cord. They share information via electrical impulses and chemical signals.
The human brain contains about 100 billion of these cells.
Neuronal impulses are generated by the activity of ion channels, which control the movement of mineral ions, including potassium and sodium. Typically in mammalian brains, as the size of neurons increases, the density of the ion channels in the neurons also increases.
To the surprise of neuroscientists from the Massachusetts Institute of Technology, in Cambridge, and Harvard Medical School, in Boston, this was not the case for human neurons.
Their research appears in a November 2021 edition of Nature.
Lou Beaulieu-Laroche, Ph.D., a neuroscientist and the studys lead author, explained in a recent LinkedIn post: These findings have important implications for understanding our outstanding cognitive abilities and the challenges [that] therapies derived from animal models face in human clinical trials.
Dr. Beaulieu-Laroche calls this paper his highest scientific achievement.
Khám phá các mối quan hệ allometric
Kích thước tế bào thần kinh xác định tế bào thần kinhinput-outputCác tính năng - Làm thế nào có khả năng là một tế bào thần kinh là "Fire" theo một mức đầu vào nhất định từ các tế bào thần kinh khác. Kích thước của các tế bào thần kinh cũng thay đổi rộng rãi trên các loài động vật có vú.
Đội ngũ các nhà nghiên cứu đã phân tích các mẫu não từ những người bị động kinh đã trải qua điều trị phẫu thuật thần kinh, Etruscan Shrews, chuột, thỏ và macaques, trong số các động vật có vú khác.
Các nhà nghiên cứu nhắm vào đặc trưngLớp 5 tế bào thần kinh kim tự tháp corticalTrên 10 loài động vật có vú để xác định các mối quan hệ sinh khối chi phối cách thức sinh lý thần kinh thay đổi với kích thước tế bào. "
Các tác giả đã chọn dân số tế bào thần kinh này vì chúng có thể nhận dạng một cách đáng tin cậy, và các nhà khoa học đã nghiên cứu chúng rộng rãi.Allometry.là nghiên cứu về cách một đặc điểm của một con vật thay đổi với kích thước.
Bằng cách nghiên cứu 10 loài, các nhà nghiên cứu có thể phân tích các kích cỡ tế bào thần kinh và độ dày vỏ não trên vương quốc động vật có vú.
Đặc biệt, các nhà nghiên cứu tập trung vào hai loại kênh ion: các kênh nucleotide-nucleotide [HCN] kích hoạt phân cực [HCN] và các kênh kali điện áp. Họ tập trung vào hai người này vì chúng tương đối dễ dàng để truy cập và có ảnh hưởng mạnh mẽ đến các mạng tế bào thần kinh.
Ngoại lệ cho các mẫu
Các nhà thần kinh học đã quan sát thấy một "kế hoạch xây dựng" phù hợp với mọi loài trừ con người. Họ viết:
"Trong 9 trong số 10 loài, chúng tôi tuân thủ các quy tắc được bảo tồn kiểm soát độ dẫn của các kênh Kali và HCN của Gated-Gated. Các loài có tế bào thần kinh lớn hơn, và do đó giảm tỷ lệ chuyển đổi bề mặt, thể hiện độ dẫn ion màng cao hơn. "
Trong bối cảnh này, độ dẫn mô tả khả năng của các ion dễ dàng vượt qua màng của một tế bào thần kinh thông qua các kênh ion.
Tiến sĩ Beaulieu-Laroche và các đồng nghiệp đã thấy rằng các tế bào thần kinh của con người không thể hiện các mô hình toàn thể giống như những mô hình khác của chín động vật có vú khác. Thay vào đó, các độ dẫn kênh điện áp của điện áp và HCN thấp hơn nhiều trong các tế bào thần kinh người.
Những phát hiện này chứng minh những nguyên tắc tiến hóa của sự tồn tại của các nguyên tắc sinh lý thần kinh ở động vật có vú, cũng như các tính năng đáng chú ý của vỏ não người.
Tăng cường tiềm năng tính toán
Một số tác giả của nghiên cứu này đã ghi nhận trong nghiên cứu trước đó rằng các tế bào thần kinh của con người lớn hơn so với các động vật có vú khác.
Tuy nhiên, những phát hiện hiện tại chỉ ra rằng các tế bào thần kinh lớp 5 của con người "không chỉ lớn [...] mà về cơ bản là khác biệt."
Tin tức y tế hôm nay đã thảo luận về nghiên cứu hiện tại với Keiland Cooper một nhà khoa học thần kinh tại Đại học California, Irvine. Ông không tham gia vào nghiên cứu này.
Cooper bị tò mò rằng các tế bào thần kinh lớp 5 của con người là khác biệt về các kênh ion. Ông suy đoán, có lẽ bộ não của con người phân kỳ từ hoa văn để đáp ứng nhu cầu năng lượng thay đổi, trái ngược với các loài khác.
Tiến sĩ Beaulieu-laroche và các đồng tác giả của ông tin rằng độ dẫn của màng thấp hơn của con người cho phépvỏ não"Để phân bổ các nguồn lực năng lượng cho các khía cạnh khác của chức năng tế bào thần kinh [ví dụ: truyền synap] có hiệu quả tính toán nhiều hơn."
Nói cách khác, năng lượng được tiết kiệm bằng cách chứa ít các kênh ion hơn có thể giúp bộ não con người thực hiện các nhiệm vụ khác, phức tạp hơn.
'Tiểu thuyết và quan trọng của locus'
Theo các tác giả của nó, nghiên cứu này cung cấp "một cuốn tiểu thuyết và một địa điểm quan trọng để điều tra trong tương lai vào tình trạng của con người."
Các nhà thần kinh thần kinh hy vọng sẽ khám phá nơi năng lượng bổ sung của tế bào thần kinh của con người đang diễn ra. Họ cũng muốn xác định xem có những thay đổi di truyền nào đó cho phép các tế bào thần kinh người trở nên hiệu quả đến mức nào.
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu này tự hỏi liệu các loài mồi có liên quan chặt chẽ với con người cũng có mật độ kênh ion thấp hơn.
Cooper cũng dự đoán những khám phá này, như anh ấy đã chia sẻ với mnt :
"Các nghiên cứu về loài chéo như thế này là tuyệt vời, và do những khó khăn về phương pháp luận, được thực hiện ít hơn nhiều so với có lẽ họ nên."
Một nghiên cứu như thế này sẽ mở một bộ câu hỏi hoàn toàn mới sẽ phải được điều tra: Điều gì có thể làm sáng tỏ sự khác biệt giữa con người và các loài khác? Có những điểm đánh dấu di truyền cụ thể hoặc các cột mốc phát triển nào mà loài phân kỳ? Những gì có thể là ngụ ý chức năng, hoặc bộ não bù đắp theo một cách nào đó? "
Cooper đã thêm, "Tôi thực sự rất vui mừng khi thấy công việc tiếp theo sẽ xuất phát từ nghiên cứu này."
Tương lai
Các nhà nghiên cứu chưa hiểu tại sao độ dẫn nào của [ion] trên mỗi khối lượng thấp hơn ở người hoặc tại sao nó được bảo tồn trong tất cả các loài được thử nghiệm khác. Điều này sẽ đòi hỏi rất nhiều điều tra nhiều hơn.
Đối với những hạn chế, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng lịch sử và điều trị bệnh của con người đằng sau các mẫu có thể ảnh hưởng đến kết quả của nghiên cứu này.
Tuy nhiên, họ lưu ý rằng "các nghiên cứu trước đây với lịch sử bệnh nhân rộng rãi và các loại phẫu thuật không quan sát được mối tương quan đáng kể giữa nguyên nhân bệnh và hình thái dendritic hoặc dẻo synap."
Vào thời điểm này, Cooper đồng ý; anh ấy nói MNT, I think the authors create a compelling case for the human neurons to be representative, however, further work to dissociate these differences will need to be completed to confirm this single study.
Đối với các bước tiếp theo, các tác giả kết thúc bài báo của họ bằng cách lưu ý:
"Công việc trong tương lai thú vị là cần thiết để xác định áp lực tiến hóa nằm trong các đặc điểm đặc biệt này và đóng góp của chúng cho chức năng não người."