Нейроны человека не проявили закономерности нейронов млекопитающих

13:50 15 Ноябрь Киев, Украина

Американские исследователи описали закономерность в строении мозга млекопитающих на основе исследования десяти видов животных. Так, с увеличением размеров нейронов увеличивается количество потенциальнозависимых ионных каналов в их мембране, что позволяет поддерживать устойчивую мембранную ионную проводимость на единицу объема мозга у разных видов. Впрочем, человеческий мозг оказался исключением из правила, поскольку на единицу объема мозга в нем наблюдается значительно меньшая плотность ионных каналов, говорится в статье журнала Nature.
 
Фото: Пирамидальные нейроны (слева направо) хорька, морской свинки, кролика, игрунки, макаки и человека.


Что привело к новому открытию?

Связи между нейронами, синапсами, чаще всего формируются при участии дендритов. Это разветвленные отростки нейронов, через которые в них поступает информация от других клеток. У млекопитающих нейроны благодаря дендритам имеют связи с тысячами других клеток. Коммуникация их происходит частично благодаря наличию ионных каналов в мембране клеток, поток ионов натрия, калия и кальция через которые влечет за собой короткие электрические импульсы, потенциалы действия, способные передаваться соседним нейронам. Считалось, что архитектура мозга млекопитающих подобна, то есть их нейроны работают схожим образом, но исследование 2018 показало, что человеческий мозг особенный. Тогда ученые из Массачусетского технологического института выяснили, что дендриты людей и крыс работают несколько по-разному, например, имеют меньшую плотность ионных каналов. В новом исследовании авторы провели более масштабное сравнительное исследование, чтобы понять, действительно ли можно считать человеческий мозг уникальным среди животных.

Как изучали особенности строения мозга человека?

Ученые сравнили нейроны разных видов млекопитающих, отличающихся по размерам тела, а соответственно и размерам мозга и нейронам. Выборку составляли мозговые клетки десяти видов: карликовая многозубка ( Suncus etruscus ), который является наименьшим по весу млекопитающим, песчанки (Meriones unguiculatus), мыши (Mus musculus), крысы (Rattus norvegicus), морской свинки (Cavia porcellus), хорька (Mustela putorius furo), кролика (Oryctolagus cuniculus), игрунки (Callithrix jacchus), макаки (Macaca mulatta) и человека (Homo sapiens). Человеческие нейроны получили из тканей, изъятых у пациентов с эпилепсией во время операции на мозге.

Как и в предыдущем исследовании, на этот раз авторы изучали пирамидальные нейроны, характеризующиеся сильным разветвлением дендритов и их легко идентифицировать из V слоя коры головного мозга. Ученые сосредоточились на потенциальных калиевых каналах и HCN-каналах.

Что выяснили исследователи о нашем мозге?

Ученые действительно заметили закономерность. Так, при увеличении объема мозга и нейронов растет плотность ионных каналов в их мембранах. Так, например, крошечный мозг сункуса имеет много маленьких нейронов, плотность ионных каналов в них невелика. У кролика нейроны имеют больший размер, их количество в единице объема меньше, чем у сункуса, но это компенсируется большей плотностью в них ионных каналов. Подобная тенденция проявилась и у других видов животных. Таким образом, поддерживается примерно постоянное, оптимальное для работы мозга количество ионных каналов на единицу объема мозга. Это кажется энергосберегающим приспособлением, поскольку большее количество ионных каналов потребовало бы большего количества энергии для их функционирования.

Но человеческий мозг единственный из десяти исследованных видов не вписался в закономерность. Плотность ионных каналов в больших нейронах человека оказалась существенно меньше единицы объема коры, а не больше. Ученые предполагают, что подобная особенность могла обеспечить лучшую эффективность человеческого мозга. Если он имеет меньшую плотность ионных каналов, то на их поддержание на единицы объема тратится меньшее количество энергии, чем у других видов, которые можно сэкономить на других процессах. Например, на построение большего количества и качества синапсов или более сильных потенциалов действия.

Далее ученые стремятся провести опыты с мозговыми тканями других, более крупных и более близких к нам эволюционно приматов. Возможно, такое приспособление появилось первым не у людей, а раньше в эволюционной истории. Дополнительно они хотели бы выяснить, есть ли специфическая мутация, которая позволила сэкономить энергию в мозге, не ухудшив его функциональность.