Περίληψη: Οι επιστήμονες παρουσιάζουν μια υπόθεση που ονομάζεται «κυτταροηλεκτρική σύζευξη», η οποία υποδηλώνει ότι τα ηλεκτρικά πεδία μέσα στον εγκέφαλο μπορούν να χειριστούν νευρικά υποκυτταρικά στοιχεία, βελτιστοποιώντας τη σταθερότητα και την αποτελεσματικότητα του δικτύου. Προτείνουν ότι αυτά τα πεδία επιτρέπουν στους νευρώνες να συντονιστούν στο δίκτυο επεξεργασίας πληροφοριών μέχρι το μοριακό επίπεδο.
Συγκριτικά, αυτή η διαδικασία είναι παρόμοια με τα νοικοκυριά που ρυθμίζουν τη ρύθμιση της τηλεόρασής τους για τη βέλτιστη εμπειρία θέασης. Η θεωρία, ανοιχτή σε δοκιμές, θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την κατανόησή μας για τις εσωτερικές λειτουργίες του εγκεφάλου.
Βασικά στοιχεία:
- Η υπόθεση της κυτταροηλεκτρικής σύζευξης υποδηλώνει ότι τα ηλεκτρικά πεδία στον εγκέφαλο μπορούν να προσαρμόσουν τη σταθερότητα και την αποτελεσματικότητα του δικτύου επηρεάζοντας τα νευρωνικά υποκυτταρικά συστατικά.
- Η ικανότητα του εγκεφάλου να προσαρμοστεί σε έναν μεταβαλλόμενο κόσμο περιλαμβάνει πρωτεΐνες και μόρια που αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρικά πεδία που παράγονται από τους νευρώνες.
- Αυτή η νέα θεωρία, η οποία προτείνει μια σύνδεση από το μακροσκοπικό στο μικροσκοπικό επίπεδο στον εγκέφαλο, είναι μια ελεγχόμενη υπόθεση που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος.
Κρήνη: Picower Institute for Learning and Memory
Για να παράγει τις πολλές λειτουργίες του, συμπεριλαμβανομένης της σκέψης, ο εγκέφαλος λειτουργεί σε πολλές κλίμακες. Οι πληροφορίες, όπως στόχοι ή εικόνες, αντιπροσωπεύονται από συντονισμένη ηλεκτρική δραστηριότητα μεταξύ δικτύων νευρώνων, ενώ μέσα και γύρω από κάθε νευρώνα, ένα μείγμα πρωτεϊνών και άλλων χημικών ουσιών εκτελεί φυσικά τους μηχανισμούς της συμμετοχής στο δίκτυο.
Μια νέα εργασία από ερευνητές στο MIT, το City-University of London και το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins υποστηρίζει ότι τα ηλεκτρικά πεδία δικτύου επηρεάζουν τη φυσική διαμόρφωση των υποκυτταρικών στοιχείων των νευρώνων για τη βελτιστοποίηση της σταθερότητας και της αποτελεσματικότητας του δικτύου, μια υπόθεση που οι συγγραφείς αποκαλούν «κυτταροηλεκτρική σύζευξη».
«Οι πληροφορίες που επεξεργάζεται ο εγκέφαλος παίζουν ρόλο στον συντονισμό του δικτύου στο μοριακό επίπεδο», δήλωσε ο Earl K. Miller, καθηγητής Picower στο Ινστιτούτο Picower για Μάθηση και Μνήμη του MIT, συν-συγγραφέας της εργασίας στο Προόδους στη Νευροβιολογία με τον αναπληρωτή καθηγητή Δημήτρη Πινότση του MIT and City —University of London και τον καθηγητή Gene Fridman του Johns Hopkins.
«Ο εγκέφαλος προσαρμόζεται σε έναν κόσμο που αλλάζει», είπε ο Πινότσης. «Οι πρωτεΐνες και τα μόριά τους αλλάζουν επίσης. Μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρικά φορτία και πρέπει να φτάσουν τους νευρώνες που επεξεργάζονται, αποθηκεύουν και μεταδίδουν πληροφορίες χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά σήματα. Η αλληλεπίδραση με τα ηλεκτρικά πεδία των νευρώνων φαίνεται απαραίτητη».
σκέψη στα χωράφια
Η κύρια εστίαση του εργαστηρίου Miller είναι να μελετήσει πώς οι γνωστικές λειτουργίες υψηλού επιπέδου, όπως η μνήμη εργασίας, μπορούν να προκύψουν γρήγορα, ευέλικτα και αξιόπιστα από τη δραστηριότητα εκατομμυρίων μεμονωμένων νευρώνων.
Οι νευρώνες είναι ικανοί να σχηματίζουν δυναμικά κυκλώματα δημιουργώντας και αφαιρώντας συνδέσεις, που ονομάζονται συνάψεις, καθώς και ενισχύοντας ή αποδυναμώνοντας αυτές τις συνδέσεις. Αλλά αυτό απλώς σχηματίζει έναν «οδικό χάρτη» γύρω από τον οποίο θα μπορούσαν να ρέουν πληροφορίες, είπε ο Miller.
Ο Μίλερ ανακάλυψε ότι συγκεκριμένα νευρωνικά κυκλώματα που αντιπροσωπεύουν συλλογικά τη μία ή την άλλη σκέψη συντονίζονται από τη ρυθμική δραστηριότητα, πιο γνωστά ως «εγκεφαλικά κύματα» διαφορετικών συχνοτήτων.
Οι γρήγοροι ρυθμοί «γάμα» βοηθούν στη μετάδοση εικόνων της όρασής μας (π.χ. ένα μάφιν), ενώ τα πιο αργά κύματα «βήτα» μπορούν να μεταδώσουν τις βαθύτερες σκέψεις μας σχετικά με αυτήν την εικόνα (π.χ. «πάρα πολλές θερμίδες»).
Την κατάλληλη στιγμή, οι εκρήξεις αυτών των κυμάτων μπορούν να μεταφέρουν προβλέψεις, επιτρέποντας την εγγραφή, τη διατήρηση και την ανάγνωση πληροφοριών στη μνήμη εργασίας, έδειξε το εργαστήριο του Miller. Καταστρέφονται όταν χαλάσει και η λειτουργική μνήμη.
Το εργαστήριο ανέφερε στοιχεία ότι ο εγκέφαλος θα μπορούσε ξεκάθαρα να χειριστεί τους ρυθμούς σε συγκεκριμένες φυσικές τοποθεσίες για να οργανώσει περαιτέρω τους νευρώνες για ευέλικτη γνώση, μια έννοια που ονομάζεται «χωρικός υπολογισμός».
Άλλη πρόσφατη εργασία από το εργαστήριο έδειξε ότι ενώ η συμμετοχή μεμονωμένων νευρώνων μέσα στα δίκτυα μπορεί να είναι άστατη και αναξιόπιστη, οι πληροφορίες που μεταφέρονται από τα δίκτυα των οποίων αποτελούν μέρος αντιπροσωπεύονται σταθερά από τα συνολικά ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούνται για τη συλλογική τους δραστηριότητα.
κυτταροηλεκτρική σύζευξη
Στη νέα μελέτη, οι συγγραφείς συνδυάζουν αυτό το μοντέλο ρυθμικής ηλεκτρικής δραστηριότητας που συντονίζει τα νευρωνικά δίκτυα με άλλες γραμμές αποδείξεων ότι τα ηλεκτρικά πεδία μπορούν να επηρεάσουν τους νευρώνες σε μοριακό επίπεδο.
Οι ερευνητές, για παράδειγμα, έχουν μελετήσει την εφαπτική σύζευξη, στην οποία οι νευρώνες επηρεάζουν ο ένας τις ηλεκτρικές ιδιότητες του άλλου μέσω της εγγύτητας των μεμβρανών τους, αντί να βασίζονται αποκλειστικά στις ηλεκτροχημικές ανταλλαγές μεταξύ των συνάψεων. Αυτή η ηλεκτρική διασταύρωση μπορεί να επηρεάσει τις νευρικές λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένου του πότε και εάν πυροδοτούν για να μεταδώσουν ηλεκτρικά σήματα σε άλλους νευρώνες σε ένα κύκλωμα.
Οι Miller, Pinotsis και Fridman αναφέρουν επίσης έρευνα που δείχνει άλλες ηλεκτρικές επιρροές στα κύτταρα και τα συστατικά τους, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο τα πεδία καθοδηγούν τη νευρική ανάπτυξη και πώς οι μικροσωληνίσκοι μπορούν να ευθυγραμμιστούν με αυτά.
Εάν ο εγκέφαλος μεταφέρει πληροφορίες σε ηλεκτρικά πεδία και αυτά τα ηλεκτρικά πεδία είναι ικανά να διαμορφώσουν νευρώνες και άλλα στοιχεία στον εγκέφαλο που σχηματίζουν ένα δίκτυο, τότε είναι πιθανό ο εγκέφαλος να χρησιμοποιεί αυτή την ικανότητα. Ο εγκέφαλος μπορεί να χρησιμοποιήσει πεδία για να διασφαλίσει ότι το δίκτυο κάνει αυτό που υποτίθεται ότι κάνει, προτείνουν οι συγγραφείς.
Για να το θέσουμε (χαλαρά) με όρους καναπέ, η επιτυχία ενός τηλεοπτικού δικτύου δεν είναι μόνο η ικανότητά του να παρέχει ένα σαφές μήνυμα σε εκατομμύρια σπίτια. Αυτό που είναι επίσης σημαντικό είναι οι λεπτομέρειες, όπως το πώς το νοικοκυριό κάθε θεατή τακτοποιεί την τηλεόραση, το ηχοσύστημα και τα έπιπλα του σαλονιού για να μεγιστοποιήσει την εμπειρία.
Τόσο σε αυτή τη μεταφορά όσο και στον εγκέφαλο, είπε ο Miller, η παρουσία του δικτύου παρακινεί μεμονωμένους συμμετέχοντες να διαμορφώσουν τη δική τους υποδομή για να συμμετέχουν βέλτιστα.
«Η κυτταροηλεκτρική σύνδεση συνδέει πληροφορίες σε μεσο και μακροσκοπικό επίπεδο με το μικροσκοπικό επίπεδο των πρωτεϊνών που αποτελούν τη μοριακή βάση της μνήμης», γράφουν οι συγγραφείς στο άρθρο.
Το άρθρο εκθέτει τη λογική πίσω από την Κυτοηλεκτρική Ζεύξη. «Προσφέρουμε μια υπόθεση που ο καθένας μπορεί να δοκιμάσει», είπε ο Μίλερ.
Χρήματα: Υποστήριξη για την έρευνα προήλθε από την Έρευνα και την Καινοτομία του Ηνωμένου Βασιλείου (UKRI), το Γραφείο Ναυτικής Έρευνας των ΗΠΑ, το Ίδρυμα JPB και το Picower Institute for Learning and Memory.
Σχετικά με αυτές τις ειδήσεις έρευνας νευροεπιστήμης
Συγγραφέας: Ντέιβιντ Ορενστάιν
Κρήνη: Picower Institute for Learning and Memory
Επικοινωνία: David Orenstein – Picower Institute for Learning and Memory
Εικόνα: Η εικόνα πιστώνεται στο Neuroscience News.
πρωτότυπη έρευνα: Ανοιχτή πρόσβαση.
«Cytoelectric Coupling: Electric Fields Sculpt Neuronal Activity and «Turn Into» the Brain’s Infrastructure» από τον Earl K. Miller et al. Προόδους στη Νευροβιολογία
Αφηρημένη
Κυτοηλεκτρική σύζευξη: τα ηλεκτρικά πεδία σμιλεύουν τη νευρική δραστηριότητα και «συντονίζουν» την υποδομή του εγκεφάλου
Προτείνουμε και παρουσιάζουμε συγκλίνοντα στοιχεία για την υπόθεση της κυτταροηλεκτρικής σύζευξης: τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούνται από τους νευρώνες είναι αιτιώδη μέχρι το επίπεδο του κυτταροσκελετού.
Αυτό θα μπορούσε να επιτευχθεί με ηλεκτροδιάχυση και μηχανομετατροπή και ανταλλαγές μεταξύ ηλεκτρικής, δυναμικής και χημικής ενέργειας. Η εφαπτική σύζευξη οργανώνει τη νευρική δραστηριότητα, σχηματίζοντας νευρικά σύνολα σε επίπεδο μακροκλίμακας.
Αυτή η πληροφορία διαδίδεται μέχρι το επίπεδο των νευρώνων, που επηρεάζει τις αιχμές, και μέχρι το μοριακό επίπεδο για να σταθεροποιήσει τον κυτταροσκελετό, «συντονίζοντας» τον ώστε να επεξεργάζεται πληροφορίες πιο αποτελεσματικά.