Dendritlerin elektriksel özellikleri beynimizin benzersiz hesaplama gücünü açıklamaya yardımcı olmaktadır

İnsan beynindeki nöronlar diğer binlerce hücrenin elektrik sinyallerini alır ve dendritler olarak adlandırılan uzun sinir uzantıları, tüm bu bilgilerin birleştirilmesinde kritik bir rol oynar, böylece hücreler uygun şekilde cevap verebilir. İnsan beyin dokusunun elde edilmesi zor örneklerini kullanan MIT nörobilimcileri, insan dendritlerinin diğer türlerden farklı elektriksel özelliklere sahip olduğunu keşfettiler. Çalışmaları, elektrik sinyallerinin, insan dendritleri boyunca akarken daha fazla zayıfladığını ve daha yüksek derecede elektriksel bölümlendirmeye neden olduğunu, yani dendritlerin küçük bölümlerinin nöronun geri kalanından bağımsız olarak davranabileceğini göstermektedir.

Araştırmacılar, bu farklılıkların insan beyninin gelişmiş bilgi işlem gücüne katkıda bulunabileceğini söylüyor. Fred ve Carole Middleton Kariyer Gelişimi yardımcı doçenti ve bilişsel bilimler profesörü olan Mark Harnett, şunları söylüyor: “nsanların zekası değil, daha çok nöronumuz ve daha büyük bir korteksimiz var. Yukarıdan aşağıya nöronlar farklı davranmaktadır. İnsan nöronlarında, daha fazla elektriksel bölümlenme vardır ve bu, bu birimlerin biraz daha bağımsız olmasına ve potansiyel olarak tek nöronların hesaplama yeteneklerinin artmasına neden olur.” MIT’nin McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü’nün üyesi olan Harnett ve Harvard Tıp Fakültesi ve Massachusetts Genel Hastanesi’nde nöroloji profesörü olan Sydney Cash, Cell’in 18 Ekim tarihli sayısında bu araştırmayı kaleme aldılar. Makalenin başyazarı, MIT’nin Beyin ve Bilişsel Bilimler Bölümü’nün lisansüstü öğrencisi Lou Beaulieu-Laroche’dir.
Sinirsel hesaplama
Dendritlerin, bir bilgisayardaki transistörlere benzer şekilde, elektrik sinyalleri kullanarak basit işlemler gerçekleştirdikleri düşünülebilir. Dendritler diğer birçok nörondan girdi alır ve bu sinyalleri hücre gövdesine taşır. Yeterince uyarılırsa, bir nöron bir aksiyon potansiyelini ateşler – daha sonra diğer nöronları uyaran bir elektriksel dürtü. Bu nöronların büyük ağları, düşünce ve davranış üretmek için birbirleriyle iletişim kurarlar. Tek bir nöronun yapısı genellikle bir ağaca benzer, birçok dal hücre gövdesine çok uzaktan bilgi getirir. Önceki araştırmalar, hücre gövdesine gelen elektriksel sinyallerin gücünün, kısmen, oraya ulaşmak için dendrit boyunca ne kadar uzaklaştıklarına bağlı olduğunu bulmuştur. Sinyaller yayıldıkça, zayıflarlar, bu yüzden hücre gövdesinden uzaklaşan bir sinyalin, hücre gövdesine yakın olandan daha az bir etkisi vardır. İnsan beyninin korteksindeki dendritler, sıçanlar ve diğer birçok türdekinden çok daha uzundur, çünkü insan korteksi, diğer türlerinkinden daha kalındır. İnsanlarda, korteks, toplam beyin hacminin yaklaşık yüzde 75’ini oluşturur, bu oran sıçan beyninde yaklaşık yüzde 30’dur. İnsan korteksi, sıçanlarınkinden iki ila üç kat daha kalın olmasına rağmen, altı tane farklı nöron katmanından oluşan aynı genel organizasyonu korur. 5. tabakadaki nöronlar, tabaka 1’e kadar uzanacak kadar uzun olan dendritlere sahiptir, bu da insan dendritlerinin insan beyninin gelişmesiyle uzaması gerektiği ve elektrik sinyallerinin o kadar uzaklaşmak zorunda kaldığı anlamına gelir. Yeni çalışmada, MIT ekibi bu uzunluk farklılıklarının dendritlerin elektriksel özelliklerini nasıl etkileyebileceğini araştırmak istedi.

Temporal lobun bir kısmının cerrahi olarak çıkarılması sırasında epilepsi hastalarından çıkarılmış küçük beyin dokularını kullanarak sıçan ve insan dendritlerindeki elektriksel aktiviteleri karşılaştırabildiler. Beynin hastalıklı kısmına ulaşmak için, cerrahlar ayrıca anterior temporal lobun küçük bir parçasını çıkarmak zorunda kaldılar. MGH çalışma arkadaşları Cash, Matthew Frosch, Ziv Williams ve Emad Eskandar’ın yardımıyla, Harnett’in laboratuvarı, her biri bir tırnağın büyüklüğünde olan ön temporal lob örneklerini elde edebildi. Harnett, kanıtın, anterior temporal lobun epilepsiden etkilenmediğini ve nöropatolojik tekniklerle incelendiğinde dokunun normal göründüğünü söylüyor. Beynin bu kısmı, dil ve görsel işlem de dahil olmak üzere çeşitli işlevlerde yer alır, ancak herhangi bir işlev için kritik değildir; hasta dokular çıkarıldıktan sonra normal olarak işlev görebilir. Dokuyu çıkardıktan sonra sonra araştırmacılar, içinde akmakta olan oksijenle birlikte beyin omurilik sıvısına çok benzer bir solüsyon yerleştirdiler. Bu, dokuları 48 saate kadar canlı tutmalarını sağladı. Bu süre boyunca, elektrik sinyallerinin, korteksteki en yaygın eksitatör nöron tipi olan piramidal nöronların dendritleri boyunca nasıl seyahat ettiklerini ölçmek için yama-kelepçe elektrofizyolojisi olarak bilinen bir teknik kullandılar. Bu deneyler öncelikle Beaulieu-Laroche tarafından gerçekleştirilmiştir. Harnett’in laboratuarı (ve diğerleri) daha önce bu tür bir deneyi kemirgen dendritlerinde yapmıştı, ancak ekibi insan dendritlerinin elektriksel özelliklerini ilk analiz eden gruptur.
Benzersiz özellikler
Araştırmacılar, insan dendritleri daha uzun mesafeleri kapsamadığı için, katman (5) ‘den bir insan dendriti boyunca katman (5)’ deki hücre gövdesine akan bir sinyalin, tabaka (1) ‘den 5. tabakaya uzanan sıçan dendriti boyunca akan bir sinyalden çok daha zayıf olduğunu bulmuşlardır. Ayrıca, insan ve sıçan dendritlerinin, akım akışını düzenleyen aynı sayıda iyon kanalına sahip olduklarını da göstermişlerdir, fakat bu kanallar, dendrit uzamasının bir sonucu olarak insan dendritlerinde daha düşük bir yoğunlukta ortaya çıkmaktadır. Harnett, ayrıca bu yoğunluk değişiminin insan ve sıçan dendritleri arasında görülen elektriksel aktivitedeki bazı farklılıklardan sorumlu olabileceğini gösteren ayrıntılı bir biyofiziksel model geliştirdiklerini söylüyor. Soru şu, bu farklılıklar insan beyni gücünü nasıl etkiler? Harnett’in hipotezi, bir dendritin daha fazla bölgesinin bir gelen sinyalin gücünü etkilemesine izin veren bu farklılıklar nedeniyle, bireysel nöronların bilgi üzerinde daha karmaşık hesaplamalar yapabilmeleridir. “Eğer insan korteksi veya kemirgen korteksi olan bir kortikal kolonunuz varsa, kemirgen yapısına karşı insan yapısı ile daha fazla hesaplamayı daha hızlı gerçekleştirebilirsiniz,” diyor. Harnett, insan nöronları ve diğer türler arasında birçok farklı farklılıklar olduğunu da ekleyerek, dendritik elektriksel özelliklerin etkilerini hafifletmeyi zorlaştırdığını söylüyor. Gelecekteki çalışmalarda, bu elektriksel özelliklerin kesin etkisini ve daha fazla bilgi işlem gücü üretmek için insan nöronlarının diğer benzersiz özellikleriyle nasıl etkileştiklerini keşfetmeyi umuyor. Araştırma, Kanada Ulusal Bilimler ve Mühendislik Araştırma Konseyi, Dana Vakfı David Mahoney Nörogörüntüleme Hibe Programı ve Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından finanse edildi. Kaynak: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181018141057.htm
Çeviren: Bünyamin TAN