W ramach pionierskich badań prześledzono aktywność pojedynczych neuronów znajdujących się głęboko w mózgu, a dokonane odkrycia mogą wyjaśnić, skąd się bierze ludzka inteligencja i dlaczego jesteśmy podatni na choroby psychiczne.

Autorami wyjątkowych badań są Rony Paz z izraelskiego Instytutu Weizmanna, który specjalizuje się w badaniu dynamiki neuronów zaangażowanych w procesy uczenia się u makaków oraz neurochirurg Itzhak Fried z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles.

Dzięki badaniom pojedynczych neuronów naukowcy byli w stanie, po raz pierwszy w historii, odkryć różnice pomiędzy „oprogramowaniem” ludzkiego i małpiego mózgu. Okazało się, że ludzki mózg potrafi wykorzystać stabilność sygnałów, czyli poziom synchronizacji pomiędzy neuronami, do bardziej efektywnego przetwarzania informacji. Na łamach Cell odkrywcy sugerują, że to właśnie ta umiejętność przyczynia się zarówno do ludzkiej inteligencji, jak i do powstawania chorób psychicznych.

Badacze wykorzystali dane na temat aktywności pojedynczych neuronów, które zbierali od ludzi z epilepsją w czasie, gdy ci przechodzili zabiegi neurochirurgiczne. Przeprowadzenie takich badań jest tak trudne, że jedynie kilka klinik na świecie mogło wziąć w nich udział. Dla porównania zebrano podobne, istniejące już wcześniej dane od trzech małp oraz pozyskane je od dwóch kolejnych.

Przez ostatnich kilka dziesięcioleci naukowcy odnotowali wiele mniejszych i większych różnic w budowie mózgu człowieka i naczelnych. Teraz przeprowadzono pierwsze badania pokazujące różnice w sygnałach przebiegających w mózgu.
Istnieje wyraźna różnica w zachowaniu i psychologii pomiędzy ludźmi a innymi naczelnymi. Teraz zaobserwowaliśmy te różnice w biologii mózgu i są to niezwykle ważne badania, mówi Mark Harnett z MIT, który specjalizuje się w badaniu, w jaki sposób biofizyka neuronów wpływa na ich zdolności obliczeniowe.

Rony Paz w swoich badaniach skupia się na ciele migdałowatym, przetwarzającym podstawowe sygnały potrzebne do przetrwania, jak konieczność ucieczki przed drapieżnikiem, oraz zakręcie obręczy, który jest zaangażowany w bardziej złożone zadania, jak uczenie się.

Pień mózgu

Izraelski uczony chciał wiedzieć, czy neurony z obu wymienionych obszarów różnią się u ludzi i u małp. O pomoc poprosił Frieda, który jest twórcą techniki rejestrowania aktywności pojedynczych neuronów u ludzi z epilepsją nie reagujących na leczenie. Metoda Frida polega na wszczepieniu do mózgu pacjenta wielu miniaturowych elektrod. Pacjent pozostaje w szpitalu do czasu, aż dozna ataku epilepsji. Elektrody określają miejsce, które zapoczątkowało atak. Są one następnie usuwane, a obszar odpowiedzialny za epilepsje jest niszczony. Pacjenci w czasie pobytu w szpitalu często biorą udział w eksperymentach pozwalających na pogłębienie wiedzy o mózgu.

Paz i Fried zebrali dane o niemal 750 neuronach z ciała migdałowatego i zakrętu obręczy z mózgów pięciu małp i siedmiu ludzi. W danych poszukiwali informacji o poziomie stabilności sygnałów rozumianym jako ich synchronizacja oraz o wydajności ich przetwarzania, rozumianych jako liczba różnych wzorców aktywności.

Okazało się, że i u ludzi i u małp sygnały w ciele migdałowatym były bardziej stabilne niż w zakręcie obręczy. Jednak te w zakręcie obręczy były bardziej efektywne. U ludzi oba regiony były mniej stabilne i bardziej efektywne niż u małp. Tak więc wydaje się, że nasze mózgi poświęcają nieco stabilności na rzecz zwiększonej efektywności.

Jak mówi Paz, takie odkrycie ma sens. Jeśli sygnał jest bardziej stabilny, jest on bardziej jednoznaczny i mniej podatny na błędy. Gdy widzę tygrysa, chcę, by wszystkie neurony w moim ciele migdałowatym dały mi sygnał do szybkiej ucieczki, mówi Paz. Jednak u wyżej zorganizowanych zwierząt, jak np. u naczelnych, w mózgu wyewoluowały bardziej elastyczne obszary, które dają możliwość pojawienia się większej liczby rozwiązań na widok zbliżającego się niebezpieczeństwa.

U ludzi ta elastyczność poszła dalej niż u innych naczelnych. Jesteśmy dzięki temu bardziej inteligentni, ale i bardziej podatni na błędy w sygnałach pomiędzy neuronami, co wyjaśnia podatność ludzi na zaburzenia umysłowe.

Co interesujące, jak zauważa Robert Knight z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, powyższe odkrycie zgadza się z już istniejącymi teoriami psychologicznymi, które mówią, że stopień synchronizacji aktywności neuronów w mózgu może być skorelowany z występowaniem psychoz i depresji. To bardzo ważne badania, gdyż większość eksperymentów neurologicznych jest prowadzonych na zwierzętach z założeniem, że podstawowe wzorce aktywności neuronów odnoszą się też do ludzi, mówi.

Christopher Petkov z Newcastle University zauważa jednak, że w kolejnych badaniach konieczne jest potwierdzenie spostrzeżeń Paza i Frieda. Bezpośrednie porównanie danych pozyskanych od ludzi i małp jest trudne, gdyż trudno jest stwierdzić, czy oba badane gatunki znajdowały się podczas zbierania danych w tym samym stanie umysłu. Paz przyznaje, że może być to problem, a długi, liczony w godzinach, czas rejestrowania danych oznacza, iż prawdopodobnie pojawiło się wiele różnic w stanie umysłu ludzi i małp. Uczony mówi jednak, że już planuje kolejne eksperymenty, w czasie których małpy i ludzie będą wykonywali podobne zadania wprowadzające je w konkretny stan, jak na przykład w niepokój.

Badania takie nie będą jednak proste. Jako, że elektrody umieszczane są u epileptyków tylko w tych obszarach, gdzie prawdopodobnie pojawiają się napady, to – jak zauważa Fried – w klinikach zdolnych do przeprowadzenia badań pojawia się w ciągu roku jedynie 10–15 odpowiednich pacjentów i trzeba ich namówić, by pozostali w szpitali i wzięli udział w nudnych eksperymentach.

 

 

 

Źródło: Nature, KopalniaWiedzy