인간 두뇌의 가장 바깥층에 자리 잡은 세포는 특별한 종류의 전기 신호를 생성하여 컴퓨팅 성능을 추가로 향상시킬 수 있다고 새로운 연구 결과가 제시했다. 더욱이이 신호는 인간에게 독특 할 수 있으며 연구 저자에 따르면 우리의 고유 한 지능을 설명 할 수 있습니다.
뇌 세포 또는 뉴런은 긴 분기 와이어를 통해 연결되며이 케이블을 따라 셔틀 메시지가 서로 통신합니다. 각 뉴런에는 축색 돌기라고하는 발신 전선과 수상 돌기라고하는 수신 메시지를받는 전선이 있습니다. 수상 돌기는 전기적 활동의 파열을 통해 정보를 나머지 뉴런으로 전달합니다. 뇌가 어떻게 연결되어 있는지에 따라, 각 수상 돌기는 길이를 따라 다른 뉴런으로부터 수십만 개의 신호를 수신 할 수 있습니다. 과학자들은 이러한 전기 스파이크가 뇌를 연결하는 데 도움이되고 학습과 기억과 같은 능력의 기초가 될 수 있다고 생각하지만, 인간의인지에서 수상 돌기의 정확한 역할은 미스터리로 남아 있습니다.
이제 연구자들은 인간 수상 돌기에서 새로운 맛의 전기 스파이크를 발견했습니다. 하나의 신경 세포가 자체적으로 다루기에는 너무 복잡하다고 생각되면 세포가 계산을 수행 할 수 있다고 생각합니다. 1 월 3 일자 사이언스 지에 발표 된이 연구는 인간 이외의 다른 동물 조직에서는 새로운 전기적 특성이 관찰 된 적이 없으며, 신호가 인간 지능에 영향을 미치는지 또는 영장류에 영향을 미치는지에 대한 의문을 제기합니다. 진화 사촌.
이상한 신호
현재까지 인간 뇌 세포와 기본 특성을 공유하는 설치류 조직에서 대부분의 수상 돌기 연구가 수행되었다고 연구 공동 저자 인 Matthew Larkum은 베를린 Humboldt University의 생물학과 교수라고 말했다. 그러나 인간 뉴런은 마우스에서 발견되는 것보다 약 2 배나 길다고 그는 말했다.
"이것은 전기 신호가 두 배 더 멀리 이동해야한다는 것을 의미한다"고 Larkum은 Live Science에 말했다. "전기적 특성에 변화가 없다면, 인간에게는 동일한 시냅스 입력이 훨씬 덜 강력 할 것입니다." 다시 말해, 수상 돌기에 의해 수신 된 전기 스파이크는 그들이 뉴런의 세포체에 도달 할 때 상당히 약화 될 것입니다.
Larkum과 그의 동료들은 인간 뉴런의 전기적 특성을 밝혀내어이 긴 수상 돌기가 실제로 신호를 효과적으로 전송하는 방법을 확인했습니다.
이것은 쉬운 일이 아니었다.
첫째, 연구자들은 인간의 뇌 조직 샘플에 손을 대야했다. 연구팀은 간질과 종양 환자의 뇌에서 분리 된 뉴런을 치료의 일환으로 사용했습니다. 연구팀은 뇌의 주름진 외부인 뇌 피질에서 절제된 뉴런에 초점을 맞추었다. 사이언스의 진술에 따르면, 인간의 경우,이 층들은 덴 드라이트의 밀집된 네트워크를 보유하고 있으며 매우 두껍게 자라고있다.
라크 움은“조직이 매우 드물게 나오기 때문에, 앞의 것과 함께 일해야한다”고 말했다. 그는 빠르게 일해야한다고 덧붙였다. 인체 외부에서 산소 결핍 뇌 세포는 약 2 일 동안 만 생존 할 수 있습니다. 이 제한된 시간 범위를 최대한 활용하기 위해 Larkum과 그의 팀은 주어진 샘플에서 가능한 한 오랫동안, 때로는 24 시간 동안 일하면서 측정을 수집했습니다.
이 실험적 마라톤 동안, 팀은 뇌 조직을 잘라내어 안에 들어있는 수상 돌기의 구멍과 구멍을 뚫었습니다. 이 구멍을 통해 얇은 유리 피펫을 붙임으로써 연구자들은 이온 또는 하전 입자를 수상 돌기에 주입하고 전기 활동에서 어떻게 변화했는지 관찰 할 수있었습니다. 예상대로 자극 된 수상 돌기는 전기 활동의 급상승을 일으켰지 만이 신호는 이전에 본 것과는 매우 다르게 보였다.
각 스파이크는 약 밀리 초 동안 짧은 시간 동안 만 점화되었습니다. 설치류 조직에서, 이러한 유형의 초단파 스파이크는 나트륨의 홍수가 전기 활동의 특정 축적에 의해 유발 된 수지상 돌기에 들어갈 때 발생합니다. 칼슘은 또한 설치류 수상 돌기에서 스파이크를 유발할 수 있지만,이 신호는 나트륨 스파이크보다 50-100 배 더 오래 지속되는 경향이 있다고 Larkum은 말했다. 그러나 팀이 인간 조직에서 본 것은이 둘의 이상한 하이브리드 인 것처럼 보였다.
라크 움은“이것은 나트륨 사건처럼 보이지만 실제로는 칼슘 사건이었다”고 말했다. 팀원들은 나트륨이 시료 수상 돌기에 들어 가지 못하게했을 때 어떤 일이 일어날 지 테스트하고 스파이크가 계속 완화되는 것을 발견했습니다. 또한, 초단파 스파이크가 연속적으로 빠르게 연속적으로 발생했습니다. 그러나 연구원들이 칼슘이 뉴런으로 들어 가지 못하게 막자 스파이크는 짧게 멈췄습니다. 과학자들은 나트륨과의 지속 시간은 비슷하지만 칼슘에 의해 통제되는 완전히 새로운 종류의 스파이크를 발견했다고 결론지었습니다.
로스 앤젤레스 캘리포니아 대 (University of California, Los Angeles)의 신경학, 신경 생물 물리학 및 천문학과 교수 인 Mayank Mehta는“이것은 우리가 지금까지 알고있는 포유류와는 다르게 보인다”고 말했다. 가장 큰 문제는 이러한 스파이크가 실제 뇌 기능과 어떤 관련이 있는지에 관한 것이라고 그는 말했다.
계산 강국
Larkum과 그의 동료들은 슬라이스 된 샘플이 손상되지 않은 인간의 뇌에서 어떻게 작동하는지 테스트 할 수 없었기 때문에 결과를 기반으로 컴퓨터 모델을 설계했습니다. 뇌에서 수상 돌기는 근처 뉴런으로부터 자신의 길이를 따라 신호를 받아 스파이크를 일으키거나 막을 수 있습니다. 마찬가지로,이 팀은 길이에 따라 수천 개의 서로 다른 지점에서 자극하거나 억제 할 수있는 디지털 수상 돌기를 설계했습니다. 역사적으로, 연구에 따르면 수상 돌기 신호가 억제 신호보다 많으면 수상 돌기가 시간이 지남에 따라 이러한 반대 신호를 집계하고 스파이크를 발생시킵니다.
그러나 디지털 수상 돌기는 전혀 이런 식으로 행동하지 않았습니다.
라크 움은“우리가 자세히 살펴보면이 이상한 현상이 있었음을 알 수 있었다. 덴 드라이트가 수신 한 흥분성 신호가 많을수록 스파이크가 발생할 가능성이 적습니다. 대신, 주어진 수상 돌기의 각 영역은 특정 수준의 자극에 반응하도록 "조정 된"것처럼 보였습니다.
그러나 이것이 실제 뇌 기능 측면에서 무엇을 의미합니까? Larkum은 수상 돌파구가 길이에 따라 각 지점마다 정보를 처리 할 수 있으며, 어떤 정보를 전송할 것인지, 어떤 것을 버릴 것인지, 단독으로 처리 할 것인지를 결정하는 통합 네트워크로 작동하고 있다고 Larkum은 말했다.
Mehta는 Live Cell과의 인터뷰에서“셀이 단순히 추가하고있는 것 같지 않다. (이 경우, "throw away"신호는 수지상 영역의 "sweet spot"에 맞게 조정되지 않은 흥분성 신호일 것입니다.)이 계산 초강력은 수상 돌기가 전체 신경망의 작용으로 생각되면 기능을 수행 할 수있게합니다. ; 예를 들어, Mehta는 개별 수상 돌기가 메모리를 인코딩 할 수도 있다고 이론화했습니다.
일단 신경 과학자들은 뉴런의 전체 네트워크가 이러한 복잡한 계산을 수행하기 위해 협력한다고 생각하고 그룹으로서 반응하는 방법을 결정했습니다. 이제는 개별 수상 돌기가이 정확한 유형의 계산을 자체적으로 수행하는 것처럼 보입니다.
인간의 두뇌 만이이 놀라운 계산 능력을 가지고 있을지 모르지만 Larkum은 말하기에는 너무 이르다고 말했다. 그와 그의 동료들은 과거 연구에서 간과 된 경우에 설치류에서이 신비한 칼슘 스파이크를 찾고 싶어합니다. 또한 인간 수상 돌기의 전기적 특성이 진화론 적 친척의 전기적 특성과 유사한 지 알아보기 위해 영장류에서 비슷한 연구에 협력하기를 희망합니다.
이러한 스파이크가 인간을 다른 포유류보다 특별하거나 지능적으로 만들 가능성은 거의 없다고 Mehta는 말했다. 설치류 뇌가 또한 뇌의 특정 부위에서 특정 스파이크를 생성하기 때문에, 새로운 전기적 특성은 인간 대뇌 피질에서 L2 / 3 뉴런에 고유 한 것일 수있다.
과거 연구에서 Mehta는 설치류 수상 돌기 또한 정확한 기능을 알 수없는 다양한 스파이크를 생성한다는 것을 발견했습니다. 흥미로운 점은이 스파이크의 일부만이 실제로 연결된 세포체에서 반응을 유발한다는 것입니다. 설치류 뉴런에서, 수지상 스파이크의 대략 90 %가 세포체로부터 전기 신호를 유발하지 않으며, 이는 설치류와 인간의 수상 돌기가 우리가 아직 이해하지 못하는 방식으로 독립적으로 정보를 처리 할 수 있음을 시사합니다.
학습과 기억에 대한 우리의 많은 이해는 뉴런 세포체와 그 출력 케이블 인 축색 돌기에서 생성 된 전기 활동에 대한 연구에서 비롯됩니다. 그러나 이러한 결과는 뇌의 스파이크가 대부분 수상 돌기에서 발생할 수 있다고 암시했다. "이러한 스파이크는 학습 규칙을 바꿀 수 있습니다."
편집자 주 :이 이야기는 Mayank Mehta 박사의 새로운 전기 신호가 인간에게 고유한지 여부에 대한 진술을 명확하게하기 위해 1 월 9 일에 업데이트되었습니다.
