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# Biologia # Neurociência

A Estrutura Única dos Neurônios Humanos

Investigando como a estrutura dos neurônios influencia as habilidades cognitivas humanas e a função do cérebro.

Lida Kanari, Y. Shi, A. Arnaudon, N. Barros Zulaica, R. Benavides-Piccione, J. S. Coggan, J. D. DeFelipe, K. Hess, H. Mansvelder, E. J. Mertens, J. Meystre, R. d. C. Perin, M. Pezzoli, R. T. Daniel, R. Stoop, I. Segev, H. Markram, C. P. de Kock

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O cérebro sempre foi um assunto de curiosidade e estudo por muitos anos. As pessoas sempre se perguntaram como ele nos ajuda a pensar e agir de forma diferente de outros animais. Nos tempos antigos, pensadores como Aristóteles acreditavam que nossa mente estava no coração, mas cientistas como Galeno depois mostraram a importância do cérebro. Essa mudança de pensamento abriu muitas perguntas sobre como nosso cérebro nos torna únicos.

Tamanho do Cérebro e Inteligência

Por muito tempo, achou-se que o tamanho do cérebro determinava o quão inteligente alguém era. Cérebro maiores eram vistos como sinônimo de inteligência mais alta. No entanto, pesquisas mostraram que isso não é verdade. Animais com cérebros maiores, como elefantes e golfinhos, não mostram as mesmas habilidades que os humanos. Estudos que analisaram a relação entre o tamanho do cérebro e o tamanho do corpo não encontraram uma conexão clara. Mesmo que muitos acreditem que o cérebro humano é especial, os pesquisadores têm investigado outras características que podem estar ligadas à inteligência.

Características Únicas dos Neurônios Humanos

Uma área de interesse é a estrutura dos neurônios humanos, que são as células que compõem nosso cérebro. O cientista Santiago Ramon y Cajal se perguntou se os neurônios humanos têm estruturas específicas que os ajudam a funcionar melhor do que os de outras espécies. Muitos estudos se concentraram nas características únicas dos neurônios humanos, como suas formas e como se conectam. Avanços recentes permitiram que os cientistas coletassem diferentes tipos de dados sobre os neurônios humanos, criando uma imagem mais clara de sua estrutura e função.

Dendritos e Sua Importância

Nessa pesquisa, uma grande quantidade de neurônios humanos foi coletada e analisada. Focaram em fatores como idade e área do cérebro para garantir comparações precisas. Os cientistas descobriram que os neurônios humanos têm extensões mais longas chamadas dendritos, que permitem que se conectem melhor uns com os outros. Esse comprimento maior ajuda a preencher o espaço entre os neurônios, o que é crucial, já que os cérebros humanos têm menos neurônios do que alguns outros animais. A forma desses dendritos é um fator essencial que influencia como os neurônios humanos formam conexões no cérebro.

Densidade Celular e Estrutura do Cérebro

Comparado ao cérebro do camundongo, o córtex humano tem uma densidade de neurônios menor. Isso significa que há menos neurônios em um espaço determinado, resultando em maiores distâncias entre eles. Os pesquisadores calcularam que a distância entre neurônios próximos nos humanos é quase o dobro da encontrada em camundongos. Apesar dessa menor densidade de neurônios, o cérebro humano possui um número maior de neurônios inibitórios, que ajudam a equilibrar as atividades do cérebro.

Entendendo a Complexidade das Redes

Para explorar como essas diferenças impactam as redes cerebrais, os pesquisadores criaram modelos computacionais de redes de camundongos e humanos. Eles descobriram que, mesmo com menos neurônios, as Células Piramidais humanas – um tipo de neurônio – formam conexões fortes que criam redes complexas. Essa conectividade resulta em um maior número de caminhos para os sinais percorrerem dentro do cérebro.

A forma como os neurônios estão conectados em uma rede pode ser comparada a uma teia de aranha, onde certos padrões de conexões podem aprimorar as capacidades de processamento do cérebro. Mesmo com uma contagem menor de neurônios, a complexidade das redes humanas é surpreendente e sugere que os cérebros humanos ainda conseguem processar informações de forma eficiente.

Estrutura Dendrítica e Conectividade

Os pesquisadores também examinaram a estrutura real dos dendritos nos neurônios humanos e de camundongos. Eles descobriram que os dendritos humanos tendem a ter mais ramificações próximas ao corpo celular. Essa estrutura ramificada ajuda a aumentar o número de conexões que um neurônio pode fazer, o que é essencial para um cérebro complexo capaz de um pensamento avançado.

Embora pareça intuitivo pensar que ter mais neurônios criaria uma rede mais complexa, este estudo mostra que a estrutura dos neurônios individuais, especialmente a ramificação dos dendritos, é fundamental. O cérebro humano se adaptou para tirar o máximo proveito de sua fiação.

Capacidade de Memória e Complexidade Dendrítica

As formas intricadas dos dendritos desempenham um papel crucial na memória e na função cerebral geral. Pesquisas sugerem que a complexidade aumentada dos dendritos nos humanos permite uma maior capacidade de memória. Isso significa que nossos cérebros podem armazenar e processar informações de forma mais eficaz do que os de animais com estruturas neuronais mais simples.

Ao comparar a capacidade de memória dos neurônios humanos com a dos camundongos, foi descoberto que os humanos provavelmente têm uma capacidade maior devido às suas estruturas dendríticas mais complexas. Essa complexidade fornece aos humanos uma vantagem no processamento e na lembrança de informações.

Habilidades Cognitivas e Design da Rede

À medida que os cientistas investigam mais sobre como nossos cérebros funcionam, uma ideia está surgindo: o design da rede é tão importante quanto seu tamanho. Em vez de simplesmente ter mais neurônios, o cérebro humano parece depender da complexidade de cada neurônio para criar uma rede rica. Esse design intricado significa que os neurônios individuais podem se comunicar de forma mais eficiente, levando a habilidades cognitivas aprimoradas.

Os pesquisadores estão começando a explorar como os diferentes papéis dos neurônios, particularmente o equilíbrio entre neurônios excitadores e inibitórios, moldam a função geral das redes cerebrais. Entender esse equilíbrio pode fornecer insights sobre como o cérebro humano opera em um nível tão alto de complexidade.

A Interação dos Neurônios

As interações entre diferentes tipos de neurônios, como células piramidais e Interneurônios, também desempenham um papel significativo na função cerebral. Estudos mostram que o maior número de neurônios inibitórios no cérebro humano pode ser necessário para manter o equilíbrio dentro da rede. Esses interneurônios ajudam a regular as conexões feitas pelas células piramidais, garantindo uma sinalização eficiente.

Embora a complexidade das células piramidais suporte funções cognitivas avançadas, a estrutura mais simples dos interneurônios serve um propósito vital na rede geral. Olhar como esses dois tipos de neurônios trabalham juntos ajuda a melhorar nossa compreensão da dinâmica cerebral.

Obtendo Insights da Anatomia

Estudos anatômicos dos tecidos cerebrais humanos forneceram insights valiosos. Fatias de córtex foram examinadas para revelar os arranjos internos dos neurônios e suas conexões. Essa investigação prática permite que os pesquisadores visualizem a verdadeira disposição dos neurônios, comparando várias regiões do cérebro e as diferenças entre diferentes espécies.

Essa pesquisa anatômica continuará sendo essencial à medida que os cientistas buscam estabelecer conexões entre a estrutura e a função do cérebro. Há muito mais a aprender sobre como vários tipos de células interagem e como essas relações influenciam o funcionamento intrincado do cérebro humano.

Conclusão

Resumindo, as habilidades cognitivas únicas do cérebro humano vêm da estrutura complexa dos neurônios individuais. As descobertas revelam que não é apenas a quantidade de neurônios que conta, mas sim como eles são construídos e conectados. As distintas estruturas dendríticas dos neurônios humanos contribuem para a capacidade do cérebro de formar redes intrincadas, sugerindo que as capacidades cognitivas aprimoradas vêm da qualidade dessas conexões.

Estudos em andamento vão aprofundar nossa compreensão de como essas complexidades não apenas definem nossas habilidades cognitivas, mas também podem oferecer insights sobre condições neurológicas quando esses processos saem dos trilhos. O cérebro é um órgão notável e, à medida que a pesquisa avança, podemos esperar desvendar ainda mais de seus mistérios.

Fonte original

Título: Of mice and men: Dendritic architecture differentiates human from mice neuronal networks

Resumo: The organizational principles that distinguish the human brain from other species have been a long-standing enigma in neuroscience. Focusing on the uniquely evolved human cortical layers 2 and 3, we computationally reconstruct the cortical architecture for mice and humans. We show that human pyramidal cells form highly complex networks, demonstrated by the increased number and simplex dimension compared to mice. This is surprising because human pyramidal cells are much sparser in the cortex. We show that the number and size of neurons fail to account for this increased network complexity, suggesting that another morphological property is a key determinant of network connectivity. Topological comparison of dendritic structure reveals much higher perisomatic (basal and oblique) branching density in human pyramidal cells. Using topological tools we quantitatively show that this neuronal structural property directly impacts network complexity, including the formation of a rich subnetwork structure. We conclude that greater dendritic complexity, a defining attribute of human L2 and 3 neurons, may provide the human cortex with enhanced computational capacity and cognitive flexibility. Graphical abstract O_FIG O_LINKSMALLFIG WIDTH=200 HEIGHT=100 SRC="FIGDIR/small/557170v3_ufig1.gif" ALT="Figure 1"> View larger version (22K): [email protected]@1ca4aaeorg.highwire.dtl.DTLVardef@1ecf1b5org.highwire.dtl.DTLVardef@f0d44d_HPS_FORMAT_FIGEXP M_FIG C_FIG A. A multiscale analysis was performed to compare the mouse and human brains: from the anatomical properties of brain regions to the morphological details of single neurons. B. Human circuits are larger than mice in terms of size and number of neurons, but present decreased neuron density, resulting in increased distances between neurons, particularly among pyramidal cells. C. Greater network complexity emerges within the human brain. Network complexity is defined by larger groups of neurons forming complex interconnections throughout the network. D. The topological analysis of layer 2/3 pyramidal cells in the temporal cortex reveals an intriguing difference: human neurons exhibit a significantly larger number of dendritic branches, especially near the cell body compared to mice. This phenomenon is termed "higher topological complexity" in dendrites. Our findings suggest that dendritic complexity wields a more substantial influence on network complexity than neuron density.

Autores: Lida Kanari, Y. Shi, A. Arnaudon, N. Barros Zulaica, R. Benavides-Piccione, J. S. Coggan, J. D. DeFelipe, K. Hess, H. Mansvelder, E. J. Mertens, J. Meystre, R. d. C. Perin, M. Pezzoli, R. T. Daniel, R. Stoop, I. Segev, H. Markram, C. P. de Kock

Última atualização: 2024-12-19 00:00:00

Idioma: English

Fonte URL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.09.11.557170

Fonte PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.09.11.557170.full.pdf

Licença: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

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