La estructura de las neuronas (que revela diferencias estructurales clave en las neuronas humanas)
Esta vez, los neurocientíficos del MIT descubrieron a partir de preciosas muestras de tejido cerebral humano que las propiedades electrofisiológicas de las dendritas humanas son diferentes a las de otras especies biológicas. Este estudio revela que las señales eléctricas disminuyen en intensidad más rápidamente a medida que viajan a lo largo de las dendritas humanas, lo que resulta en un mayor grado de compartimentación electrofisiológica, lo que sugiere que pequeñas regiones de las dendritas pueden experimentar actividad fisiológica de manera relativamente independiente de otras partes de la misma neurona.
Los investigadores dicen que esta diferencia puede ser una de las principales razones por las que el cerebro humano es más eficiente computacionalmente que otros organismos.
Mark Harnett, profesor asistente en el Instituto de Ciencias Cognitivas y del Cerebro del MIT, expresó su opinión: "Los humanos somos inteligentes no sólo porque tenemos más neuronas y más áreas corticales grandes. Fundamentalmente, el comportamiento de las neuronas es diferente. Las neuronas en el cerebro humano tienen más particiones electrofisiológicas y estas pequeñas unidades son relativamente más independientes, lo que permite que el poder computacional de las neuronas individuales aumente potencialmente.
Las dendritas informáticas neuronales son como transistores en las computadoras. , utilizando señales eléctricas para realizar operaciones simples, recibir información de entrada de otras neuronas y transmitirla al cuerpo celular. Si el estímulo es lo suficientemente grande, la neurona genera un potencial de acción: un impulso eléctrico que es lo suficientemente potente como para estimular aún más otras neuronas. Es una red tan enorme de neuronas que se comunican entre sí y conducen a nuestros pensamientos y comportamientos.
La estructura de una sola neurona es como la de un árbol: recibe señales de ramas complejas, las resume y las transmite a cuerpos celulares distantes. Investigaciones anteriores han demostrado que la intensidad de la señal eléctrica recibida por el cuerpo celular depende en parte de la longitud de las dendritas que pasa a lo largo del camino. La señal se debilita gradualmente durante la transmisión, por lo que las señales transmitidas lejos del cuerpo celular tienen una fuerza relativamente alta. Impacto débil en el cuerpo celular.
Las dendritas de la corteza cerebral humana son mucho más largas que las de otras especies como las ratas porque la corteza cerebral humana se ha vuelto mucho más gruesa que otras especies durante la evolución. En comparación con el 30% del volumen de la corteza cerebral de las ratas, la corteza cerebral humana representa hasta el 75%.
Aunque la corteza cerebral humana es 2-3 veces más gruesa que la de las ratas, aún conserva una estructura organizativa similar y está compuesta por 6 capas de neuronas como la corteza cerebral de las ratas. Entre ellos, las sinapsis de la capa V pueden alcanzar la capa I, lo que indica que las dendritas relevantes durante el desarrollo del cerebro humano deben extenderse a una longitud suficiente y las señales eléctricas también deben transmitirse a la misma distancia.
El objetivo de la investigación del equipo del MIT era explorar cómo la longitud de las dendritas afecta a sus propiedades electrofisiológicas. Compararon la actividad eléctrica en el tejido cerebral de los lóbulos prefrontales de pacientes con epilepsia y en las dendritas de cerebros de ratas. Además, para explorar áreas cerebrales enfermas, los cirujanos deben extirpar un pequeño trozo de tejido del lóbulo temporal anterior.
Harnett dijo que bajo examen neuropatológico, el lóbulo temporal anterior no estaba afectado por la epilepsia y el tejido era normal. En circunstancias normales, esta área del cerebro está involucrada en la regulación del lenguaje, el procesamiento visual y otras funciones, pero no es crítico, incluso si al paciente se le ha extirpado esta área, aún puede realizar funciones relacionadas con normalidad.
Después de extirpar el tejido, los investigadores lo transfieren como oxígeno al líquido cefalorraquídeo, lo que mantiene vivo el tejido durante 48 horas, lo que les brinda la oportunidad de medir los nervios piramidales mediante técnicas electrofisiológicas de parche eléctrico. señales de las dendritas de las neuronas, el tipo más común de neuronas excitadoras en la corteza.
Los experimentos anteriores se completaron principalmente bajo el liderazgo de Beaulieu-Laroche. Muchos laboratorios, incluido el de Harnett, han utilizado esta técnica para estudiar las dendritas de roedores, pero esta es la primera vez que el equipo de Harnett la utiliza para examinar las propiedades electrofisiológicas de las dendritas humanas.
Investigadores con propiedades únicas descubrieron que debido a la gran distancia que recorren las dendritas humanas, la atenuación de las señales desde las dendritas de la capa cortical I hasta las células de la capa cortical V es mucho mayor que en la corteza de la rata.
Además, las dendritas humanas y las de rata tienen un número similar de canales iónicos (responsables de regular las corrientes nerviosas), pero debido a que las dendritas humanas son más largas, la densidad de las dendritas es correspondientemente menor. El equipo de Harnett también propuso un modelo biofísico para explicar las diferencias en la densidad de las dendritas como una de las razones de las diferencias en la actividad electrofisiológica de las dendritas entre humanos y ratones.
Nelson Spruston, director de programas de investigación del Instituto Janelia del Instituto Médico Howard Hughes, describió el estudio como "un logro notable".
“Este es el estudio más meticuloso de las propiedades fisiológicas de las neuronas humanas hasta la fecha. Una investigación como esta es muy exigente técnicamente incluso para ratones; es realmente importante poder lograr estos resultados en humanos. increíble", dijo Spruston.
Sin embargo, todavía nos queda una pregunta por responder: ¿Cómo afectan estas diferencias a la capacidad intelectual humana? La hipótesis de Harnett es que las diferencias electrofisiológicas entre estas neuronas permiten que más áreas de dendritas ejerzan influencia sobre las señales entrantes, por lo que una sola neurona puede completar cálculos de información más complejos.
“Para una pequeña porción de corteza cerebral humana o de ratón, el cerebro humano está estructurado para hacer más cálculos más rápido que el cerebro de un ratón”, explica Harnett.
Añadió además que existen muchas otras diferencias entre las neuronas del cerebro humano y las de otras especies, lo que hace más difícil analizar el impacto de las propiedades electrofisiológicas sinápticas. En el futuro, Harnett espera explorar más a fondo el impacto de las propiedades electrofisiológicas y cómo interactúan con otras características de las neuronas humanas para generar capacidades informáticas eficientes.