Dendryty – ich komunikacja a neuronaukowa rewolucja

Wrzesień 23, 2019
Najnowsze badania wskazują, że dendryty nie są jedynie pasywnymi przekaźnikami i że produkują własne sygnały elektryczne. Odkrycie to może stanowić początek neuronaukowej rewolucji.

Dendryty stały się w ostatnich latach obiektem dużego zainteresowania neuronaukowców. Nauka od dawna próbuje zrozumieć sposób porozumiewania się, jaki zachodzi pomiędzy neuronami. Tak samo, jak językoznawcy starają się rozkodować obce języki, tak naukowcy szukają znaczenia w sygnałach wysyłanych przez neurony i dendryty.

Najświeższe badania dowodzą, że dotychczasowa wiedza na temat możliwości ludzkiego mózgu to zaledwie wierzchołek góry lodowej. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles odkryli bowiem nieznany dotąd sposób, w jaki porozumiewają się między sobą dendryty. Odkrycie to oznacza, że ludzki mózg może mieć moc 100 razy większą od tej, jaką do tej pory podejrzewaliśmy.

Wyniki wspomnianych badań mogą zmienić fundamenty konwencjonalnej neuronauki. Jeszcze niedawno naukowcy byli przekonani, że dendryty są pasywnymi przekaźnikami. Uważano, że przekazują one sygnały elektryczne do komórek ciała, czyli tzw. somy. Okazuje się jednak, że dendryty to coś więcej niż tylko pasywne przekaźniki. Generują one sygnały elektryczne o natężeniu i częstotliwości pięć razy wyższej niż w przypadku neuronów.

Dendryty: co oznacza to nowe odkrycie?

Jedną ze świeżych teorii opartych na nowym odkryciu jest ta, która mówi, że proces uczenia się może zachodzić na poziomie dendrytów, nie na poziomie somy. Według konwencjonalnej neuronauki, sygnały elektryczne emitowane przez komórki ciała stanowią podstawę naszych zdolności poznawczych. Teraz jednak już wiemy, że dendryty nie pełnią pasywnej roli. Co więcej, emitują one własne sygnały elektryczne.

Badacze odkryli również, że dendryty są inteligentne. Innymi słowy, posiadają one zdolność adaptacji swoich sygnałów elektrycznych. Póki co taka sama plastyczność została odkryta tylko w neuronach. Oznacza to, że dendryty są w stanie samodzielnie się uczyć.

Neurony w ludzkim mózgu

Jako że dendryty są duo  bardziej aktywne niż komórki ciała, możemy podejrzewać, że dużo informacji wygenerowanych w neuronach powstaje na poziomie dendrytów. To znaczy, że dendryty mogą funkcjonować jak komputer i przetwarzać własne dane. Jest to poziom niezależności, jakiego nikt się nie spodziewał odkryć.

“To tak, jakbyśmy nagle odkryli, że przewody prowadzące do procesora w komputerze mogą również przetwarzać dane – to niezwykle dziwne i jednocześnie fascynujące.”

-Dr. Mayank R. Mehta-

Dendryty, a możliwości mózgu

Zespół badawczy, któremu przewodził dr Mayank R. Mehta stworzył system pozwalający na umieszczenie elektrod tuż obok dendrytów u szczurów. System ten pozwala wychwytywać sygnały elektryczne u zwierzęcia przez cały czas jego codziennej aktywności, jak również podczas snu. Zespół badał w ten sposób aktywność elektryczną w dendrytach szczura przez cztery kolejne dni.

Mózg

Naukowcy wszczepili elektrody w korę płata ciemieniowego mózgu szczura. Zauważyli, że kiedy zwierzę spało, sygnały elektryczne układały się w nieregularne fale. Odkryli również skoki natężenia w każdej z fal. Oznacza to, że kiedy szczur spał, dendryty komunikowały się pomiędzy sobą. Co więcej, robiły to częstotliwością pięć razy większą niż robią to komórki ciała. Dodatkowo, kiedy szczury nie spały, ich dendryty wysyłały sygnały dziesięć razy szybciej.

Tu i teraz przetwarzane dzięki dendrytom

Kolejnym zaskakującym odkryciem, jakiego dokonali naukowcy podczas prowadzenia wspomnianych badań był rodzaj sygnału emitowanego przez dendryty. Okazało się, że sygnał elektryczny z dendrytów może być cyfrowy, oraz że wykazują się one dużym zakresem wahań – nawet dwa razy większym niż sam rdzeń kręgowy. To wszystko oznacza, że dendryty przetwarzają w sposób analogowy dane. Jest to cecha, której naukowcy nie zaobserwowali jak do tej pory w żadnych neuronach.

Informacje, jakie przetwarzają te komórki wydają się być powiązane z czasem i miejscem. Obserwując szczury w labiryncie, badacze zauważyli dwa różne sygnały. Jeden z nich pochodził z komórek ciała i miał formę skoku informującego o przewidywanym zachowaniu. W tym przypadku chodziło o skręcanie w prawo lub lewo. Jednocześnie dendryty generowały sygnał tuż po tym, jak zwierzę skręciło w którąś stronę w labiryncie.

Wydaje się, że neuronauka zbyt nisko oszacowała możliwości obliczeniowe mózgu. Jako że dendryty są o sto razy większe niż soma, możemy podejrzewać, że mózg ma w rzeczywistości o sto razy większą zdolność do przetwarzania danych. Tym samym neurony straciły tytuł głównych jednostek przetwarzających dane w mózgu.

Moore, J. J., Ravassard, P., Ho, D., Acharya, L., Kees, A., Vuong, C., & Mehta, M. R. (2016). Dynamics of Cortical Dendritic Membrane Potential and Spikes in Freely Behaving Rats. bioRxiv. https://doi.org/10.1101/096941