Нейроны человека имеют меньше ионных каналов по сравнению с другими животными. Исследователи говорят, что уменьшенное количество ионных каналов, возможно, позволило человеческому мозгу перенаправлять энергию на другие нейронные процессы.
Нейроны взаимодействуют друг с другом с помощью электрических импульсов, которые вырабатываются ионными каналами, управляющими потоком ионов, таких как калий и натрий. В новом открытии нейробиологи из Массачусетского технологического института показали, что нейроны человека имеют гораздо меньшее количество этих каналов, чем ожидалось, по сравнению с нейронами других млекопитающих.
Исследователи предполагают, что это снижение плотности каналов, возможно, помогло человеческому мозгу эволюционировать, чтобы работать более эффективно, позволяя ему перенаправлять ресурсы на другие энергоемкие процессы, необходимые для выполнения сложных когнитивных задач, когда нейроны спят.
“Если мозг может экономить энергию за счет уменьшения плотности ионных каналов, он может тратить эту энергию на другие нейронные или цепные процессы”, - говорит Марк Харнетт, доцент кафедры мозга и когнитивных наук, член Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института и старший автор исследования.
Харнетт и его коллеги проанализировали нейроны 10 различных млекопитающих и это было самое обширное электрофизиологическое исследование в своем роде. Они обнаружили, что по мере увеличения размера нейронов плотность каналов, обнаруженных в нейронах, также увеличивается.
Однако нейроны человека оказались исключением из этого правила.
“Предыдущие сравнительные исследования установили, что человеческий мозг устроен так же, как и мозг других млекопитающих, поэтому мы были удивлены, обнаружив убедительные доказательства того, что человеческие нейроны являются особенными”, -говорит аспирант Массачусетского технологического института Лу Болье-Ларош.
Болье-Ларош является ведущим автором исследования, которое появилос в журнале Природа.
Нейроны в мозге млекопитающих могут получать электрические сигналы от тысяч других клеток, и этот входной сигнал определяет, будут ли они запускать электрический импульс, называемый потенциалом действия. В 2018 году Харнетт и Болье-Ларош обнаружили, что нейроны в мозге человека и крысы отличаются некоторыми электрическими свойствами, в первую очередь в частях нейрона, называемых дендритами — древовидными антеннами, которые принимают и обрабатывают входные данные от других клеток.
Одним из выводов этого исследования было то, что нейроны человека имели более низкую плотность ионных каналов, чем нейроны в мозге крысы. Исследователи были удивлены этим наблюдением, поскольку плотность ионных каналов, как правило, считалась постоянной для разных видов. В своем новом исследовании Харнетт и Болье-Ларош решили сравнить нейроны нескольких различных видов млекопитающих, чтобы выяснить, могут ли они найти какие-либо закономерности, определяющие экспрессию ионных каналов.
Они изучили два типа калиевых каналов с регулируемым напряжением и канал HCN, который проводит как калий, так и натрий, в пирамидальных нейронах слоя 5, типе возбуждающих нейронов, обнаруженных в коре головного мозга.
Они проанализировали мозговую ткань от 10 видов млекопитающих: этрусских землероек (одно из самых маленьких известных млекопитающих), песчанок, мышей, крыс, морских свинок, хорьков, кроликов, мартышек и макак, а также человеческую ткань мозга, удаленную у пациентов с эпилепсией во время операции на головном мозге. Это разнообразие позволило исследователям охватить широкий диапазон толщины коры и размеров нейронов по всему царству млекопитающих.
Исследователи обнаружили, что почти у каждого вида млекопитающих, на которых они смотрели, плотность ионных каналов увеличивалась по мере увеличения размера нейронов. Единственным исключением из этого паттерна были нейроны человека, у которых плотность ионных каналов была намного ниже, чем ожидалось.
Увеличение плотности каналов у разных видов было удивительным, говорит Харнетт, потому что чем больше каналов, тем больше энергии требуется для перекачки ионов в клетку и из нее. Однако это начало обретать смысл, как только исследователи начали задумываться о количестве каналов в общем объеме коры головного мозга, говорит он.
В крошечном мозге этрусской землеройки, который заполнен очень маленькими нейронами, в данном объеме ткани больше нейронов, чем в том же объеме ткани мозга кролика, который имеет гораздо большие нейроны. Но поскольку нейроны кролика имеют более высокую плотность ионных каналов, плотность каналов в данном объеме ткани одинакова у обоих видов или у любого из нечеловеческих видов, которые исследовали ученые.
“Этот план строительства нейронов согласован для девяти различных видов млекопитающих", - говорит Харнетт. “Похоже, что кора головного мозга пытается сохранить количество ионных каналов на единицу объема одинаковым для всех видов. Это означает, что для данного объема коры головного мозга энергетические затраты одинаковы, по крайней мере, для ионных каналов".
Энергоэффективность
Однако человеческий мозг представляет собой поразительное отклонение от этого плана. Вместо увеличения плотности ионных каналов исследователи обнаружили резкое снижение ожидаемой плотности ионных каналов для данного объема мозговой ткани.
Исследователи полагают, что эта более низкая плотность, возможно, развилась как способ расходовать меньше энергии на перекачку ионов, что позволяет мозгу использовать эту энергию для чего-то другого, например, для создания более сложных синаптических связей между нейронами или для запуска потенциалов действия с более высокой скоростью.
“Мы думаем, что люди эволюционировали из этого плана развития мозга, который ранее ограничивал размер коры головного мозга, и они нашли способ стать более энергоэффективными, чтобы вы тратили меньше АТФ на объем по сравнению с другими видами”, - говорит Харнетт.
Теперь он надеется изучить, куда может направляться эта дополнительная энергия, и существуют ли специфические мутации генов, которые помогают нейронам коры головного мозга человека достигать такой высокой эффективности. Исследователи также заинтересованы в изучении того, показывают ли виды приматов, которые более тесно связаны с людьми, аналогичное снижение плотности ионных каналов.
Оригинальное исследование про нейроны.
