نورون‌ها، بلوک‌های تشکیل دهنده سیستم عصبی مرکزی هستند که شامل مغز و نخاع می‌شود.
نورون‌ها، همانند آجرهای یک ساختمان هستند، با این تفاوت که نورون‌ها، آجرهای سیستم عصبی مرکزی هستند. این سلول‌ها اطلاعات را از طریق تکانه‌های الکتریکی و سیگنال‌های شیمیایی در مغز به اشتراک می‌گذارند. مغز انسان تقریباً ۱۰۰ میلیارد نورون دارد.
تکانه‌های عصبی، توسط فعالیت کانال‌های یونی ایجاد می‌شوند که حرکت یون‌های معدنی از جمله پتاسیم و سدیم را کنترل می‌کنند. به‌طور معمول در مغز پستانداران، با افزایش اندازه نورون‌ها، چگالی کانال‌های یونی در نورون‌ها نیز افزایش می‌یابد.
در کمال تعجب دانشمندان علوم اعصاب از مؤسسه فناوری ماساچوست در کمبریج و دانشکده پزشکی هاروارد در بوستون، مشاهده کردند که این مورد در نورون‌های انسانی دیده نمی‌شود و از این نظر با سایر پستانداران تفاوت عمده‌ای دارد.
لو بیلو لاروچه، دکترای علوم اعصاب و نویسنده اصلی این مطالعه، در یکی از پست‌های اخیر خود در لینکدین گفت:
این یافته‌ها پیامد‌های مهمی برای درک توانایی‌های شناختی برجسته ما دارند. همچنین چالش‌هایی برای درمان‌های نشأت گرفته از مدل‌های حیوانی که در آزمایشات بالینی انسانی استفاده می‌شوند، ایجاد می‌کنند.
دکتر لاروچه، این مقاله را بالاترین دستاورد علمی خود نامیده است.
بررسی روابط آلومتریک
اندازه نورون، ویژگی‌های ورودی-خروجی نورون را تعیین می‌کند و احتمال این‌که یک نورون به دنبال سطح مشخصی از ورودی از نورون‌های دیگر شلیک کند را مشخص خواهد کرد. اندازه نورون‌ها نیز در میان گونه‌های پستانداران بسیار متفاوت است.
این تیم پژوهشی، نمونه‌های مغزی از افراد مبتلا به صرع را که تحت درمان جراحی مغز و اعصاب قرار گرفته‌اند و نمونه‌های حشره‌های اتروسکی، موش‌ها، خرگوش‌ها و ماکاک‌ها و سایر پستانداران مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند.
هدف پژوهش‌گران این بود که نورون‌های هرمی قشری لایه ۵ را در ۱۰ گونه مختلف از پستانداران مشخص کنند تا روابط آلومتریک تعیین کنند که چگونه بیوفیزیک عصبی با اندازه سلول تغییر می‌کند.
پژوهش‌گران این دسته از نورون‌ها را انتخاب کردند؛ زیرا آن‌ها به‌طور قابل اعتمادی قابل شناسایی هستند و دانشمندان آن‌ها را به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار داده‌اند. آلومتری، مطالعه چگونگی تغییر ویژگی‌های یک حیوان با اندازه است.
پژوهش‌گران با مطالعه این ۱۰ گونه مختلف، می‌توانند اندازه‌های مختلف نورون‌ها و ضخامت‌های قشر مغز را در سراسر قلمرو پستانداران تجزیه و تحلیل کنند.
به‌طور خاص، پژوهش‌گران روی دو نوع کانال یونی تمرکز کردند: کانال دریچه‌دار نوکلئوتید حلقوی (HCN) فعال شده با هیپرپلاریزاسیون و کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ. آن‌ها روی این دو تمرکز کردند؛ زیرا دسترسی به آن‌ها نسبتاً آسان است و تأثیر زیادی بر شبکه‌های عصبی دارند.
یافتن موارد استثنا در الگو‌ها
دانشمندان علوم اعصاب یک الگوی ساختاری را مشاهده کردند که در همه گونه‌ها به جز یکسان بود. آن‌ها می‌گویند:
در ۹ گونه از ۱۰ گونه، ما قوانین محفوظی را مشاهده می‌کنیم که رسانایی کانال‌های HCN و کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ را کنترل می‌کنند. گونه‌های پستاندار با نورون‌های بزرگ‌تر و در نتیجه کاهش نسبت سطح به حجم، رسانایی یونی غشایی بالاتری از خود نشان می‌دهند.
در این زمینه، میزان رسانایی، توانایی یون‌ها را برای عبور آسان از غشای یک نورون از طریق کانال‌های یونی توصیف می‌کند.
دکتر لاروچه و همکارانش دریافتند که نورون‌های انسانی همان الگو‌های آلومتریک ۹ پستاندار دیگر را نشان نمی‌دهند. در عوض، رسانایی کانال‌های HCN و کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ در نورون‌های انسانی بسیار کم‌تر بود.
این یافته‌ها، اصول تکاملی حفظ شده برای بیوفیزیک عصبی در پستانداران و همچنین ویژگی‌های قابل توجه قشر انسان را نشان می‌دهند.
پتانسیل محاسباتی پیشرفته
تعدادی از نویسندگان این مطالعه در پژوهش قبلی اشاره کرده بودند که نورون‌های انسانی بزرگ‌تر از سایر پستانداران هستند.
با این‌حال، یافته‌های کنونی نشان می‌دهند که نورون‌های لایه ۵ انسانی نه تنها بزرگ نیستند، بلکه اساساً با سایر پستانداران متمایز هستند.
کیلند کوپر، عصب‌شناس در دانشگاه کالیفرنیا که در این مطالعه شرکت نداشته است، در مورد آن یک گفت‌و‌گو داشته است. کوپر در مورد این‌که نورون‌های لایه ۵ انسانی از نظر کانال‌های یونی متمایز هستند، کنجکاو بود. او حدس زد شاید مغز انسان برخلاف سایر گونه‌ها، از قوانین و چهارچوب‌ها به منزله درخواست تغییرات انرژی، فاصله می‌گیرد.
دکتر لاروچه و همکارانش بر این باورند که رسانایی غشای تحتانی نورون‌های انسانی به قشر مغز اجازه می‌دهد تا منابع انرژی را به سایر جنبه‌های عملکرد عصبی (به عنوان مثال، انتقال سیناپسی) که از نظر محاسباتی مؤثرتر هستند، اختصاص دهد.
به عبارت دیگر، انرژی ذخیره شده با ذخیره کانال‌های یونی کم‌تر، ممکن است به مغز انسان کمک کند تا وظایف پیچیده‌تر دیگری را انجام دهد.
به گفته نویسندگان مقاله، این مطالعه منبعی جدید و مهم برای تحقیقات آینده در مورد وضعیت انسان خواهد بود.
دانشمندان علوم اعصاب امیدوارند که بفهمند انرژی اضافی نورون‌های انسانی به کجا می‌رود. آن‌ها همچنین می‌خواهند پی ببرند که آیا تغییرات ژنتیکی خاصی وجود دارد که باعث می‌شود نورون‌های انسانی تا این حد کارآمد شوند یا خیر.
علاوه بر این، پژوهش‌گران می‌خواهند بدانند آیا پستانداران نزدیک به انسان نیز چگالی کانال یونی کم‌تری دارند.
دکتر کوپر در مورد این موضوع می‌گوید:
مطالعات بین گونه‌ای فوق‌العاده هستند و به دلیل مشکلات روش‌شناختی، کم‌تر از آن‌چه که احتمالاً باید، انجام می‌شوند.
مطالعه‌ای مانند این، مجموعه کاملاً جدیدی از سؤالات را به روی ما می‌گشاید که باید مورد بررسی قرار گیرند: چه چیزی ممکن است زمینه‌ساز تفاوت‌های بین انسان و سایر گونه‌ها باشد؟ آیا نشانگر‌های ژنتیکی یا نقاط عطف رشدی خاصی وجود دارند که گونه‌ها را از هم جدا می‌کنند؟ پیامد‌های عملکردی دارد یا مغز به نحوی جبران می‌کند؟
پژوهش‌گران هنوز نمی‌دانند که چرا میزان رسانایی یونی بر حجم، در انسان کم‌تر است، آن‌ها همچنین نمی‌دانند که چرا در سایر پستانداران این‌گونه نیست. یافتن پاسخ این سوالات مستلزم انجام پژوهش‌های بیشتر است.
در مورد محدودیت‌های مطالعه نیز پژوهش‌گران خاطرنشان می‌کنند که تاریخچه بیماری و درمان‌های انسان می‌تواند بر نتیجه این مطالعه تأثیر بگذارد.
با این‌حال، آن‌ها خاطرنشان می‌کنند که مطالعات قبلی با سابقه گسترده بیماری و انواع جراحی نتوانسته بود هم‌بستگی قابل توجهی بین علت بیماری و مورفولوژی دندریتیک یا شکل‌پذیری سیناپسی مشاهده کند.
