De nouvelles recherches suggèrent que les cellules nichées dans les couches les plus externes du cerveau humain génèrent un type spécial de signal électrique qui pourrait leur donner un surcroît de puissance de calcul. De plus, ce signal peut être unique aux humains - et peut expliquer notre intelligence unique, selon les auteurs de l'étude.
Les cellules cérébrales, ou neurones, se connectent via de longs fils ramifiés et font passer les messages le long de ces câbles pour communiquer entre eux. Chaque neurone possède à la fois un fil sortant, appelé axone, et un fil qui reçoit les messages entrants, appelé dendrite. La dendrite transmet des informations au reste du neurone par le biais de sursauts d'activité électrique. Selon la façon dont le cerveau est connecté, chaque dendrite peut recevoir des centaines de milliers de signaux d'autres neurones sur toute sa longueur. Alors que les scientifiques pensent que ces pointes électriques aident à câbler le cerveau et peuvent sous-tendre des capacités comme l'apprentissage et la mémoire, le rôle exact des dendrites dans la cognition humaine reste un mystère.
Maintenant, les chercheurs ont découvert une nouvelle saveur de pointe électrique dans les dendrites humaines - une qui, selon eux, pourrait permettre aux cellules d'effectuer des calculs autrefois jugés trop complexes pour qu'un seul neurone puisse s'y attaquer seul. L'étude, publiée le 3 janvier dans la revue Science, note que la nouvelle propriété électrique n'a jamais été observée dans aucun tissu animal autre que l'homme, ce qui soulève la question de savoir si le signal contribue uniquement à l'intelligence humaine ou à celle des primates, notre cousins évolutionnaires.
Un signal étrange
Jusqu'à présent, la plupart des études sur la dendrite ont été réalisées sur des tissus de rongeurs, qui partagent des propriétés de base avec les cellules du cerveau humain, a déclaré le co-auteur de l'étude Matthew Larkum, professeur au département de biologie de l'Université Humboldt de Berlin. Cependant, les neurones humains mesurent environ deux fois plus longtemps que ceux trouvés chez une souris, a-t-il déclaré.
"Cela signifie que les signaux électriques doivent voyager deux fois plus loin", a déclaré Larkum à Live Science. "S'il n'y avait pas de changement dans les propriétés électriques, cela signifierait que, chez les humains, les mêmes entrées synaptiques seraient un peu moins puissantes." En d'autres termes, les pointes électriques reçues par une dendrite s'affaibliraient considérablement au moment où elles atteindraient le corps cellulaire du neurone.
Larkum et ses collègues ont donc décidé de découvrir les propriétés électriques des neurones humains pour voir comment ces dendrites plus longues parviennent à envoyer des signaux efficacement.
Ce n'était pas une tâche facile.
Tout d'abord, les chercheurs ont dû mettre la main sur des échantillons de tissus cérébraux humains, une ressource notoirement rare. L'équipe a fini par utiliser des neurones qui avaient été découpés dans le cerveau de patients atteints d'épilepsie et de tumeurs dans le cadre de leur traitement médical. L'équipe s'est concentrée sur les neurones réséqués du cortex cérébral, l'extérieur ridée du cerveau qui contient plusieurs couches distinctes. Chez l'homme, ces couches contiennent des réseaux dendrites denses et deviennent extrêmement épaisses, un attribut qui peut être "fondamental pour ce qui nous rend humains", selon un communiqué de Science.
"Vous obtenez le tissu très rarement, vous devez donc simplement travailler avec ce qui est devant vous", a déclaré Larkum. Et vous devez travailler vite, a-t-il ajouté. En dehors du corps humain, les cellules cérébrales privées d'oxygène ne restent viables que pendant environ deux jours. Pour profiter pleinement de cette fenêtre temporelle limitée, Larkum et son équipe collectaient les mesures d'un échantillon donné aussi longtemps qu'ils le pouvaient, travaillant parfois pendant 24 heures d'affilée.
Au cours de ces marathons expérimentaux, l'équipe a coupé le tissu cérébral en tranches et percé des trous dans les dendrites contenues à l'intérieur. En collant de fines pipettes en verre à travers ces trous, les chercheurs ont pu injecter des ions ou des particules chargées dans les dendrites et observer comment ils ont changé dans l'activité électrique. Comme prévu, les dendrites stimulées ont généré des pics d'activité électrique, mais ces signaux semblaient très différents de ceux observés auparavant.
Chaque pic s'est enflammé pendant seulement une brève période de temps - environ une milliseconde. Dans le tissu des rongeurs, ce type de pic super court se produit lorsqu'un flot de sodium pénètre dans une dendrite, déclenché par une accumulation particulière d'activité électrique. Le calcium peut également déclencher des pointes dans les dendrites de rongeurs, mais ces signaux ont tendance à durer 50 à 100 fois plus longtemps que les pointes de sodium, a déclaré Larkum. Ce que l'équipe a vu dans les tissus humains, cependant, semblait être un étrange hybride des deux.
"Même si cela ressemblait à un événement de sodium, c'était en fait un événement de calcium", a déclaré Larkum. Les membres de l'équipe ont testé ce qui se passerait s'ils empêchaient le sodium de pénétrer dans leurs échantillons de dendrites et ont constaté que les pointes continuaient de tirer sans relâche. De plus, les pointes supershortes ont tiré rapidement l'une après l'autre. Mais lorsque les chercheurs ont empêché le calcium de pénétrer dans les neurones, les pointes se sont arrêtées brièvement. Les scientifiques ont conclu qu'ils étaient tombés sur une toute nouvelle classe de pics, dont la durée était similaire à celle du sodium mais contrôlée par le calcium.
"Ceux-ci semblent différents de tout ce que nous avons connu jusqu'à présent des autres mammifères", a déclaré Mayank Mehta, professeur dans les départements de neurologie, de physique neurobiologique et d'astronomie de l'Université de Californie à Los Angeles, qui n'était pas impliqué dans l'étude. La grande question est de savoir comment ces pointes sont liées à la fonction cérébrale réelle, a-t-il déclaré.
Centrales informatiques
Larkum et ses collègues n'ont pas pu tester comment leurs échantillons découpés en tranches pourraient se comporter dans un cerveau humain intact, ils ont donc conçu un modèle informatique basé sur leurs résultats. Dans le cerveau, les dendrites reçoivent des signaux sur leur longueur des neurones voisins qui peuvent soit les pousser à générer un pic ou les empêcher de le faire. De même, l'équipe a conçu des dendrites numériques qui peuvent être stimulées ou inhibées à partir de milliers de points différents sur toute leur longueur. Historiquement, les études suggèrent que les dendrites cumulent ces signaux opposés au fil du temps et déclenchent un pic lorsque le nombre de signaux excitateurs dépasse les inhibiteurs.
Mais les dendrites numériques ne se sont pas comportées de cette façon du tout.
"Quand nous avons regardé de près, nous avons pu voir qu'il y avait ce phénomène étrange", a déclaré Larkum. Plus une dendrite reçoit de signaux excitateurs, moins elle est susceptible de générer un pic. Au lieu de cela, chaque région d'une dendrite donnée semblait "réglée" pour répondre à un niveau spécifique de stimulation - ni plus, ni moins.
Mais qu'est-ce que cela signifie en termes de fonction cérébrale réelle? Cela signifie que les dendrites peuvent traiter des informations à chaque point sur toute leur longueur, travaillant comme un réseau unifié pour décider quelles informations envoyer, lesquelles éliminer et lesquelles traiter seules, a déclaré Larkum.
"Il ne semble pas que la cellule ajoute simplement des choses - elle jette également des choses", a déclaré Mehta à Live Science. (Dans ce cas, les signaux "jetés" seraient des signaux excitateurs qui ne sont pas correctement accordés au "point idéal" de la région dendritique.) Cette superpuissance de calcul pourrait permettre aux dendrites d'assumer des fonctions que l'on croyait être l'œuvre de réseaux neuronaux entiers ; par exemple, Mehta théorise que des dendrites individuelles pourraient même coder des souvenirs.
Une fois, les neuroscientifiques pensaient que des réseaux entiers de neurones travaillaient ensemble pour effectuer ces calculs complexes et ont décidé comment répondre en tant que groupe. Maintenant, il semble qu'un dendrite individuel effectue ce type de calcul tout seul.
Il se peut que seul le cerveau humain possède cette impressionnante puissance de calcul, mais Larkum a dit qu'il était trop tôt pour le dire avec certitude. Lui et ses collègues veulent rechercher cette mystérieuse pointe de calcium chez les rongeurs, au cas où elle aurait été négligée dans les recherches antérieures. Il espère également collaborer à des études similaires chez les primates pour voir si les propriétés électriques des dendrites humaines sont similaires à celles de nos parents évolutionnaires.
Il est très peu probable que ces pointes rendent les humains spéciaux ou plus intelligents que les autres mammifères, a déclaré Mehta. Il se peut que la nouvelle propriété électrique soit unique aux neurones L2 / 3 dans le cortex cérébral humain, car le cerveau des rongeurs produit également des pointes spécifiques dans des régions particulières du cerveau, a-t-il ajouté.
Dans des recherches antérieures, Mehta a découvert que les dendrites de rongeurs génèrent également une grande variété de pointes dont la fonction exacte reste inconnue. Ce qui est intéressant, c'est que seule une fraction de ces pointes déclenche réellement une réaction dans le corps cellulaire auquel elles se branchent, a-t-il déclaré. Dans les neurones des rongeurs, environ 90% des pointes dendritiques ne provoquent pas de signaux électriques du corps cellulaire, ce qui suggère que les dendrites chez les rongeurs et les humains peuvent traiter les informations indépendamment, d'une manière que nous ne comprenons pas encore.
Une grande partie de notre compréhension de l'apprentissage et de la mémoire provient de la recherche sur l'activité électrique générée dans le corps des cellules neuronales et son câble de sortie, l'axone. Mais ces résultats suggèrent qu '"il se peut que la majorité des pointes dans le cerveau se produisent dans les dendrites", a déclaré Mehta. "Ces pointes pourraient changer les règles de l'apprentissage."
Note de l'éditeur: Cette histoire a été mise à jour le 9 janvier pour clarifier une déclaration du Dr Mayank Mehta sur la question de savoir si le nouveau signal électrique pourrait être unique aux humains.
