Американські дослідники описали закономірність у будові мозку ссавців на основі дослідження десяти видів тварин. Так, зі збільшенням розмірів нейронів збільшується кількість потенціалзалежних іонних каналів у їхній мембрані, що дає змогу підтримувати сталу мембранну іонну провідність на одиницю об'єму мозку в різних видів. Утім, людський мозок виявився винятком із правила, оскільки на одиницю об'єму мозку у ньому спостерігається суттєво менша щільність іонних каналів, йдеться у статті журналу Nature.
Пірамідальні нейрони (зліва направо) тхора, морської свинки, кролика, ігрунки, макаки і людини. Lou Beaulieu-Laroche et al. / Nature, 2021
Що призвело до нового відкриття?
Зв'язки між нейронами, синапси, найчастіше формуються за участі дендритів. Це розгалужені відростки нейронів, через які до них надходить інформація від інших клітин. У ссавців нейрони завдяки дендритам мають зв'язки з тисячами інших клітин. Комунікація їх відбувається частково завдяки наявності іонних каналів в мембрані клітин, потік іонів натрію, калію та кальцію крізь які спричиняє короткі електричні імпульси, потенціали дії, здатні передаватися до сусідніх нейронів. Вважалося, що архітектура мозку ссавців подібна, тобто їхні нейрони працюють схожим чином, але дослідження 2018 року вказало, що людський мозок особливий. Тоді вчені з Массачусетського технологічного інституту з'ясували, що дендрити людей та пацюків працюють дещо по-різному, наприклад, мають меншу щільність іонних каналів. У новому дослідженні автори провели масштабніше порівняльне дослідження, щоб зрозуміти, чи справді можна вважати людський мозок унікальним серед тварин.
Як вивчали особливості будови мозку людини?
Вчені порівняли нейрони різних видів ссавців, що відрізняються за розмірами тіла, а відповідно й розмірами мозку, та нейронів. Вибірку складали мозкові клітини десяти видів: сункуса етруського (Suncus etruscus), який є найменшим за вагою ссавцем, піщанки (Meriones unguiculatus), миші (Mus musculus), пацюка (Rattus norvegicus), морської свинки (Cavia porcellus), тхора (Mustela putorius furo), кролика (Oryctolagus cuniculus), ігрунки (Callithrix jacchus), макаки (Macaca mulatta) та людини (Homo sapiens). Людські нейрони отримали із тканин, що їх вилучили у пацієнтів із епілепсією під час операції на мозку.
Як і в попередньому дослідженні, цього разу автори вивчали пірамідальні нейрони, що характеризуються сильним розгалуженням дендритів і їх легко ідентифікувати, із V шару кори головного мозку. Вчені зосередилися на потенціалзалежних калієвих каналах та HCN-каналах
Що з'ясували дослідники про наш мозок?
Науковці дійсно помітили закономірність. Так, зі збільшенням об'єму мозку та нейронів зростає щільність іонних каналів у їхніх мембранах. Приміром, крихітний мозок сункуса має багато маленьких нейронів, щільність іонних каналів у яких невелика. Натомість у кролика нейрони мають більший розмір, їхня кількість в одиниці об'єму менша, ніж у сункуса, але це компенсується більшою щільністю в них іонних каналів. Подібна тенденція проявилася і в інших видів тварин. Таким чином підтримується приблизно стала, оптимальна для роботи мозку кількість іонних каналів на одиницю об'єму мозку. Це здається енергоощадливим пристосуванням, оскільки більша кількість іонних каналів вимагала би більшої кількості енергії для їхнього функціонування. А так енерговитрати на підтримання роботи мозку (принаймні стосовно роботи іонних каналів) усіх цих видів ссавців однакові на одиницю об'єму.
Але людський мозок єдиний із десяти досліджених видів не вписався у закономірність. Щільність іонних каналів у великих нейронах людини виявилася суттєво меншою на одиницю об'єму кори, а не більшою. Науковці припускають, що така особливість могла забезпечити кращу ефективність людського мозку. Якщо він має меншу щільність іонних каналів, то на їх підтримання на одиниці об'єму витрачається менша кількість енергії, ніж в інших видів, яку можна заощадити на інші процеси. Наприклад, на побудову більшої кількості та якості синапсів або сильніших потенціалів дії.
Далі науковці прагнуть провести досліди з мозковими тканинами інших, більших та ближчих до нас еволюційно приматів. Можливо, таке пристосування з'явилося першим не в людей, а ще раніше в еволюційній історії. Додатково вони хотіли б з'ясувати, чи є специфічна мутація, яка дала змогу заощадити енергію в мозку, не погіршивши його функціональності.