Нейроны мозга человека сильно отличаются от нейронов других млекопитающих

Импульсы нейронов вырабатываются белками, которые контролируют поток ионов, благодаря чему эти белки называют ионными каналами. Нейробиологи MIT показали, что количество ионных каналов в нейронах человека гораздо меньше, чем у других млекопитающих. За подробностями приглашаем под кат, пока у нас начинается флагманский курс Data Science.

Вот что рассказывает о своём открытии Марк Харнетт, доцент кафедры мозга и когнитивных наук Института исследования мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования:

«Если мозг может сэкономить энергию за счёт снижения плотности ионных каналов, то потратить её он может на другие процессы в нейронах или в цепях».

Учёные выявили «строительный план», который наблюдается у всех видов, кроме человека. Они обнаружили, что с увеличением размера нейронов увеличивается и плотность нейронных каналов в них. Но нейроны человека оказались ярким исключением.

«Предыдущие сравнительные исследования показали, что человеческий мозг устроен так же, как мозг других млекопитающих, поэтому мы удивились, обнаружив убедительные доказательства, что человеческие нейроны особенные», — рассказывает бывший аспирант MIT Лу Болье-Ларош, — ведущий автор опубликованного в Nature исследования.

План строения нейронов

Нейроны в мозге млекопитающих получают электрические сигналы от тысяч других клеток, и от этого зависит, будут ли они подавать электрический импульс, который также называют потенциалом действия.

В 2018 году Харнетт и Болье-Ларош обнаружили, что нейроны человека и крысы различаются электрическими свойствами, прежде всего в дендритах. Дендриты — древовидные антенны, которые обрабатывают данные от других клеток. Ранее считалось, что плотность ионных каналов нейронов постоянна у всех видов, но выяснилось, что у человека она ниже, чем у других млекопитающих.

В новом исследовании Харнетт и Болье-Ларош сравнили нейроны различных видов млекопитающих, чтобы понять, можно ли найти определяющие экспрессию ионных каналов закономерности. Они изучали два типа калиевых каналов, связанных с напряжением, и HCN-канал, который в пятом слое пирамидальных нейронов проводит и калий, и натрий.

Для исследования учёные взяли ткани мозга 10 видов млекопитающих: этрусских землероек, песчанок, мышей, крыс, морских свинок, хорьков, кроликов, мармозеток, макак, а также ткани страдающих эпилепсией людей, которые остались после операции. Так Харнетт и Болье-Ларош охватили диапазон толщины коры и размеров нейронов царства млекопитающих, а исследование стало самым масштабным в своём роде.

Почти у всех перечисленных видов млекопитающих с увеличением размера нейронов увеличивалась и плотность ионных каналов. Исключением оказались нейроны человека: плотность ионных каналов в них намного меньше ожидаемой.

По словам Харнетта, увеличение плотности каналов у разных видов удивляет, поскольку чем больше каналов, тем больше энергии требуется для перекачки ионов в клетку и из клетки. Ситуация прояснилась, когда исследователи обратили внимание на количество каналов в общем объёме коры головного мозга.

В крошечном мозге этрусской землеройки, который заполнен маленькими нейронами, мозговых клеток больше, чем в том же объёме мозга кролика. При этом у кролика гораздо больше нейронов в целом, а плотность ионных каналов его мозга выше. Проще говоря, плотность каналов в одинаковом объёме ткани одинакова у обоих видов. Это верно для всех перечисленных видов, кроме человека.

«Похоже, что кора головного мозга пытается сохранить количество ионных каналов на единицу объёма одинаковым у всех видов. Иными словами, для данного объёма коры энергетические затраты одинаковы, по крайней мере в случае ионных каналов».

Возможная причина — энергия

Учёные полагают, что столь низкая плотность ионных каналов могла возникнуть как способ экономить энергию на перекачке ионов. Сохранённая энергия позволяет, к примеру, создавать сложные синаптические связи между нейронами или быстрее генерировать потенциалы действия.

«Мы думаем, что люди в процессе эволюции преодолели это ограничение, которое влияло на размер коры, и стали тратить меньше АТФ по сравнению с другими видами», — рассказывает Харнетт.

Харнетт надеется понять, куда может уходить сэкономленная энергия, существуют ли мутации, которые помогают коре мозга человека достигать высокой эффективности и снижается ли плотность ионных каналов у приматов.