Ainulaadne elevandi aju

Aafrika elevandi pull. Pilt Michelle Gaddi / USFWS kaudu.

Autor: Bob Jacobs, Colorado kolledž

Looduskaitsjad on 12. augusti nimetanud ülemaailmseks elevantide päevaks, et teadvustada neid majesteetlikke loomi. Elevantidel on palju kaasahaaravaid jooni, alates nende uskumatult osavatest kärudest kuni mälu võimete ja keerukate sotsiaalsete eludeni.

Kuid nende ajude üle arutletakse palju vähem, ehkki on mõistlik, et sellisel suurel loomal on päris suur aju (umbes 12 naela). Tõepoolest, kuni viimase ajani oli elevandi aju kohta tegelikult teada väga vähe, osaliselt seetõttu, et mikroskoopilisteks uuringuteks hästi säilinud koe saamine on äärmiselt keeruline.

Selle ukse avasid Lõuna-Aafrika Witwatersrandi ülikooli neurobioloogi Paul Mangeri teedrajavad jõupingutused, kes said 2009. aastal loa kolme Aafrika elevandi aju ekstraheerimiseks ja säilitamiseks, mis oli kavas tappa suurema rahvastikuhalduse osana. strateegia. Seega oleme viimase 10 aasta jooksul elevantide aju kohta rohkem teada saanud kui kunagi varem.

Siin jagatud uurimistöö viidi läbi Colorado kolledžis aastatel 2009-2011 koostöös Paul Mangeri, Columbia ülikooli antropoloogi Chet Sherwoodi ja neuroteadlase Patrick Hofiga Icahni meditsiinikoolist Siinai mäel. Meie eesmärk oli uurida elevantide ajukoores olevate neuronite kuju ja suurust.

Minu laborirühma on juba pikka aega huvitanud imetajate ajukoores olevate neuronite morfoloogia või kuju. Ajukoore moodustab õhuke välimine neuronite (närvirakkude) kiht, mis katavad kahte ajupoolkera. See on tihedalt seotud kõrgemate kognitiivsete funktsioonidega nagu koordineeritud vabatahtlik liikumine, sensoorse teabe integreerimine, sotsiokultuuriline õppimine ja indiviidi määratlevate mälestuste talletamine.

Need pildid illustreerivad ajukoore väikese lõigu eemaldamise protsessi elevandi paremast ajupoolkerast. See kude värvitakse ja asetatakse klaasklaasile, nii et mikroskoobi all on näha üksikuid neuroneid ja neid kolmemõõtmeliselt jälgitav. Pilt Robert Jacobsi kaudu.

Ajukoores olevate neuronite paigutus ja morfoloogia on imetajate vahel suhteliselt ühtlane - või nii arvasime pärast aastakümnete pikkuseid uurimusi inimeste ja mitteinimlike primaatide ning näriliste ja kasside ajude osas. Nagu leidsime elevantide ajusid analüüsides, on elevantide kortikaalsete neuronite morfoloogia radikaalselt erinev kõigest, mida me kunagi varem täheldanud oleme.

Kuidas neuroneid visualiseeritakse ja kvantifitseeritakse

Neuronaalse morfoloogia uurimise protsess algab ajukoe värvimisega pärast seda, kui see on teatud aja jooksul fikseeritud (keemiliselt säilitatud). Meie laboris kasutame üle 125 aasta vanust tehnikat, mida nimetatakse Golgi peitsiks, mis on nimetatud itaalia bioloogi ja Nobeli preemia laureaadi Camillo Golgi (1843-1926) järgi.

Elevantide kujutamise areng läbi keskaja: https://t.co/3eMAXqGf8w :) #WorldElephantDay pic.twitter.com/KHpBLfMwfK

- Dr Caitlin Green (@caitlinrgreen) 12. august 2018

See metoodika pani aluse tänapäevasele neuroteadusele. Näiteks Hispaania neuroanatomik ja Nobeli preemia laureaat Santiago Ramon y Cajal (1852–1934) kasutasid seda tehnikat teekaardi koostamiseks selle kohta, millised neuronid välja näevad ja kuidas nad on omavahel ühendatud.

Golgi plekk immutab ainult väikest protsenti neuroneid, võimaldades üksikutel rakkudel suhteliselt taustal eraldatud olla. See paljastab dendriidid või harud, mis moodustavad nende neuronite vastuvõtva pinna. Nii nagu puu oksad toovad valguse fotosünteesiks, võimaldavad neuronite dendriidid rakul vastu võtta ja sünteesida teistest rakkudest saabuvat teavet. Mida suurem on dendriitiliste süsteemide keerukus, seda rohkem teavet konkreetne neuron suudab töödelda.

Kui neuronid on värvunud, saame neid arvuti ja spetsiaalse tarkvara abil mikroskoobi all kolmemõõtmeliselt jälgida, paljastades neuronaalsete võrkude keerulise geomeetria. Selles uuringus leidsime 75 elevantide neuronit. Iga jälgimine võttis üks kuni viis tundi, sõltuvalt lahtri keerukusest.

Millised elevantide neuronid välja näevad

Isegi pärast aastaid sedalaadi uuringuid on põnev esimest korda mikroskoobi all olevaid kudesid vaadata. Iga plekk on jalutuskäik läbi erineva närvimetsa. Elevandikoe lõike uurides oli selge, et elevandi ajukoore põhiarhitektuur erineb kõigi teiste seni uuritud imetajate omadest, sealhulgas tema lähimatest elavatest sugulastest, manateest ja kivi hüraksist.

Mitme liigi peaajukoores levinuma neuroni (püramiidneuroni) jäljed. Pange tähele, et elevandil on laiali hargnevad tipilised dendriidid, samas kui kõigil teistel liikidel on ainsam, kasvavalt tipmine dendriit. Skaalariba = 100 mikromeetrit (või 0, 004 tolli). Pilt Bob Jacobsi kaudu.

Siin on kolm peamist erinevust, mille leidsime elevandi kortikaalsete neuronite ja teiste imetajate vahel.

Esiteks on imetajatel domineeriv kortikaalne neuron püramiidneuron. Need on silmatorkavad ka elevandi ajukoores, kuid nende struktuur on väga erinev. Selle asemel, et omada ainsat dendrit, mis väljub raku tipust (tuntud kui apikaalne dendriit), hargnevad elevandi apikaalsed dendriidid tavaliselt laialt, kui nad aju pinnale tõusevad. Kuusepuu moodi ühe pika oksa asemel meenutab elevandi tipmine dendriit kahte ülespoole ulatuvat inimvart.

Elevandis mitmesugused kortikaalsed neuronid, mida teiste imetajate ajukoores on harva, kui neid kunagi täheldatakse. Pange tähele, et neid kõiki iseloomustavad dendriidid, mis levivad rakukerest külgsuunas, mõnikord ka märkimisväärsete vahemaade taha. Skaalariba = 100 mikromeetrit (või 0, 004 tolli). Pilt Bob Jacobsi kaudu.

Teiseks, elevandil on kortikaalsete neuronite valik palju laiem kui teistel liikidel. Mõnda neist, näiteks lamestatud püramiidset neuroni, teistel imetajatel ei leidu. Nende neuronite üks omadus on see, et nende dendriidid ulatuvad rakukehast külgsuunas pikkade vahemaade taha. Teisisõnu, nagu püramiidrakkude apikaalsed dendriidid, ulatuvad need dendriidid välja nagu taevasse tõstetud inimrelvad.

Kolmandaks, püramiidneuronide dendriitide kogupikkus elevantidel on umbes sama kui inimestel. Kuid need on paigutatud erinevalt. Inimese püramiidstel neuronitel on tavaliselt palju lühemaid oksi, samas kui elevandil on väiksem arv palju pikemaid oksi. Kui primaatide püramiidsed neuronid näivad olevat kavandatud väga täpse sisendi proovide võtmiseks, siis elevantide dendriitiline konfiguratsioon lubab arvata, et nende dendriidid võtavad väga erinevatest allikatest pärit sisendite hulga.

Need kokkuvõtlikult viitavad need morfoloogilised omadused sellele, et elevandi ajukoores olevad neuronid võivad sünteesida laiemat valikut sisendit kui teiste imetajate kortikaalsed neuronid.

Tunnetuse osas toetavad minu kolleegid ja ma seda, et elevandi integreeritud kortikaalne vooluring toetab mõtet, et nad on sisuliselt mõtisklevad loomad. Võrdlusena näivad primaatide ajud spetsialiseerunud kiirele otsustamisele ja kiirele reageerimisele keskkonnamõjudele.

Tussitu matriarhist elevant näitab lahkust noorte orbude elevantide suhtes, kes püüavad oma teed Keenia põõsast leida.

Selliste teadlaste nagu dr Joyce Poole tähelepanekud elevantide nende looduslikus elupaigas viitavad sellele, et elevandid on tõepoolest läbimõeldud, uudishimulikud ja kaalutlevad olendid. Nende suured ajud, millel on nii mitmekesine ühendatud, keerukate neuronite kollektsioon, näivad pakkuvat elevandi keerukate kognitiivsete võimete, sealhulgas sotsiaalse suhtluse, tööriistade ehituse ja kasutamise, loominguliste probleemide lahendamise, empaatia ja enesetunnustamise, sealhulgas teooria, neuronaalset alust. meelest.

Kõigi liikide ajud on ainulaadsed. Isegi konkreetse liigi indiviidide ajud on ainulaadsed. Kuid elevantide koore neuronite eriline morfoloogia tuletab meile meelde, et intelligentse aju juhtimiseks on kindlasti rohkem kui üks viis.

Alumine rida: Rakud, mis edastavad närvide impulsse elevantide aju osas, mis vastutavad selliste funktsioonide nagu õppimine ja mälu eest, on üles ehitatud erinevalt teiste imetajate rakkudest.

Bob Jacobs, Colorado kolledži neuroteaduse professor

See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation . Lugege algset artiklit.