تفاوت چشمگیر بین نورون های انسان و سایر پستانداران —

محققان فرض می کنند که این کاهش در تراکم کانال ممکن است به تکامل مغز انسان کمک کرده باشد تا کارآمدتر عمل کند و به آن اجازه می دهد منابع را به سمت سایر فرآیندهای انرژی بر که برای انجام وظایف پیچیده شناختی مورد نیاز هستند، هدایت کند.

مارک هارنت، دانشیار مغز و علوم شناختی، عضو مؤسسه تحقیقات مغزی مک گاورن MIT می گوید: «اگر مغز بتواند با کاهش چگالی کانال های یونی در مصرف انرژی صرفه جویی کند، می تواند آن انرژی را صرف سایر فرآیندهای عصبی یا مدار کند. ، و نویسنده ارشد مطالعه.

هارنت و همکارانش نورون‌های 10 پستاندار مختلف را تجزیه و تحلیل کردند که گسترده‌ترین مطالعه الکتروفیزیولوژیکی در نوع خود بود و یک “طرح ساختمانی” را شناسایی کردند که برای هر گونه‌ای که آنها نگاه کردند – به جز انسان‌ها – صادق است. آنها دریافتند که با افزایش اندازه نورون ها، تراکم کانال های موجود در نورون ها نیز افزایش می یابد.

با این حال، نورون‌های انسانی استثنای قابل توجهی از این قاعده هستند.

Lou Beaulieu-Laroche، دانشجوی پیشین فارغ التحصیل MIT، می گوید: «مطالعات مقایسه ای قبلی نشان داد که مغز انسان مانند سایر مغزهای پستانداران ساخته شده است، بنابراین ما از یافتن شواهد قوی مبنی بر خاص بودن نورون های انسان شگفت زده شدیم.

Beaulieu-Laroche نویسنده اصلی این مطالعه است که امروز در طبیعت.

یک نقشه ساختمان

نورون‌های مغز پستانداران می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی را از هزاران سلول دیگر دریافت کنند و این ورودی تعیین می‌کند که آیا آنها یک تکانه الکتریکی به نام پتانسیل عمل را شلیک می‌کنند یا خیر. در سال 2018، هارنت و بولیو-لاروش کشف کردند که نورون‌های انسان و موش در برخی از ویژگی‌های الکتریکی‌شان، عمدتاً در بخش‌هایی از نورون به نام دندریت – آنتن‌های درخت مانند که ورودی سلول‌های دیگر را دریافت و پردازش می‌کنند، متفاوت هستند.

یکی از یافته‌های آن مطالعه این بود که سلول‌های عصبی انسان چگالی کانال‌های یونی کمتری نسبت به نورون‌های مغز موش دارند. محققان از این مشاهدات شگفت زده شدند، زیرا چگالی کانال یونی به طور کلی در بین گونه ها ثابت فرض می شد. در مطالعه جدید خود، هارنت و بولیو-لاروش تصمیم گرفتند نورون های چندین گونه مختلف پستانداران را با هم مقایسه کنند تا ببینند آیا می توانند الگوهایی را پیدا کنند که بر بیان کانال های یونی حاکم است یا خیر. آنها دو نوع کانال پتاسیمی با ولتاژ و کانال HCN را که هم پتاسیم و هم سدیم را رسانا می‌کند، در نورون‌های هرمی لایه 5، نوعی نورون‌های تحریک‌کننده که در قشر مغز یافت می‌شوند، مورد مطالعه قرار دادند.

آن‌ها توانستند بافت مغزی 10 گونه پستانداران را به دست آورند: سوهان اتروسکی (یکی از کوچک‌ترین پستانداران شناخته شده)، ژربیل، موش، موش صحرایی، خوکچه هندی، موش صحرایی، خرگوش، مارموست، و ماکاک، و همچنین بافت انسانی که از بیماران مبتلا به این بیماری برداشته شده بود. صرع در طی جراحی مغز این تنوع به محققان اجازه داد تا طیف وسیعی از ضخامت‌های قشر مغز و اندازه‌های نورون را در سراسر قلمرو پستانداران پوشش دهند.

محققان دریافتند که تقریباً در هر گونه پستانداری که به آنها نگاه می کنند، با افزایش اندازه نورون ها، چگالی کانال های یونی افزایش می یابد. تنها استثنای این الگو در نورون‌های انسانی بود که چگالی کانال‌های یونی بسیار کمتر از حد انتظار داشتند.

هارنت می‌گوید افزایش تراکم کانال در بین گونه‌ها شگفت‌انگیز بود، زیرا هرچه تعداد کانال‌ها بیشتر باشد، انرژی بیشتری برای پمپ کردن یون‌ها به داخل و خارج سلول مورد نیاز است. او می‌گوید، با این حال، زمانی که محققان شروع به فکر کردن در مورد تعداد کانال‌ها در حجم کلی قشر مغز کردند، شروع به کار کرد.

در مغز کوچک اتروسک، که مملو از نورون‌های بسیار کوچک است، تعداد سلول‌های عصبی در حجم مشخصی از بافت نسبت به همان حجم بافت مغز خرگوش، که نورون‌های بسیار بزرگ‌تری دارد، وجود دارد. اما از آنجایی که نورون‌های خرگوش دارای تراکم کانال‌های یونی بالاتری هستند، چگالی کانال‌ها در یک حجم معین از بافت در هر دو گونه یا هر یک از گونه‌های غیرانسانی که محققان آنالیز کردند، یکسان است.

هارنت می‌گوید: «این پلان ساختمان در 9 گونه مختلف پستانداران سازگار است. آنچه که به نظر می رسد قشر در تلاش است انجام دهد این است که تعداد کانال های یونی در واحد حجم را در همه گونه ها یکسان نگه دارد. این بدان معناست که برای حجم معینی از قشر، هزینه انرژی حداقل برای کانال های یونی یکسان است. “

بهره وری انرژی

با این حال، مغز انسان نشان دهنده انحراف قابل توجهی از این طرح ساختمانی است. به جای افزایش چگالی کانال های یونی، محققان کاهش چشمگیری در چگالی مورد انتظار کانال های یونی برای حجم معینی از بافت مغز پیدا کردند.

محققان بر این باورند که این چگالی کمتر ممکن است به عنوان راهی برای صرف انرژی کمتر برای پمپاژ یون‌ها تکامل یافته باشد، که به مغز اجازه می‌دهد از آن انرژی برای چیز دیگری مانند ایجاد ارتباطات سیناپسی پیچیده‌تر بین نورون‌ها یا شلیک پتانسیل‌های عمل با سرعت بالاتر استفاده کند.

هارنت می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم که انسان‌ها از این طرح ساختمانی تکامل یافته‌اند که قبلاً اندازه قشر را محدود می‌کرد، و آنها راهی برای کارآمدتر شدن انرژی پیدا کردند، بنابراین در مقایسه با گونه‌های دیگر ATP کمتری در هر حجم مصرف می‌کنید.»

او اکنون امیدوار است بررسی کند که این انرژی اضافی به کجا می رود و آیا جهش های ژنی خاصی وجود دارد که به نورون های قشر انسان کمک می کند تا به این کارایی بالا دست یابند. محققان همچنین علاقه مند به بررسی این موضوع هستند که آیا گونه های نخستی که نزدیک تر به انسان هستند، کاهش مشابهی در چگالی کانال یونی نشان می دهند یا خیر.

این تحقیق توسط شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا، فلوشیپ دوستان مؤسسه مک گاورن، مؤسسه ملی علوم پزشکی عمومی، برنامه یاران پل و دیزی سوروس، بنیاد دانا، برنامه کمک هزینه تصویربرداری عصبی دیوید ماهونی، برنامه ملی حمایت مالی شد. مؤسسه‌های بهداشت، و برنامه کمک‌های تحقیقاتی مشترک هاروارد-MIT در علوم اعصاب پایه.