Vřetenové neurony jsou specifickou třídou neuronů, které se podílejí na přenosu signálu v nervovém systému a jsou charakterizovány velkým tělem ve tvaru vřetena, postupně se zužujícím do jediného apikálního dendritu (axonu) v jednom směru, pouze s jediným dendritem obráceným opačným směrem. Zatímco jiné typy neuronů mívají mnoho dendritů, morfologie vřetenových neuronů ve tvaru polárního pólu je unikátní, byla nalezena pouze ve dvou velmi omezených oblastech v mozcích hominidů – čeledi druhů zahrnujících člověka a lidoopy.
Funkce vřetenových neuronů
Vřetenové neurony jsou relativně obrovské buňky, které lámou vlny nervových signálů, když jsou přenášeny ve vlnách z jedné oblasti mozku do jiných oblastí. Vřetenové neurony mají podle vědců důležitou roli v myriádě kognitivních schopností a postižení obecně jedinečných pro člověka, od savantské vnímavosti a dokonalé výšky až po dyslexii a autismus. I když jsou ve srovnání s jinými neurony vzácné, vřetenové neurony jsou u lidí nejrozšířenější a největší; dosud byly nalezeny pouze v přední cingulární kůře (ACC) a frontoinsulární kůře hominidů.
Zdá se, že vřetenní buňky hrají ústřední roli ve vývoji inteligentního chování a adaptivní reakce na měnící se podmínky a kognitivní disonanci. Vznikají postnatálně a nakonec se široce propojí s rozličnými částmi mozku, což dokládá jejich zásadní přínos k vyšší schopnosti hominidů soustředit se na obtížné problémy. Důkaz důležitosti jejich role byl prokázán záznamem jednoho neuronu, elektrickou stimulací, EEG, PET, fMRI a studiemi lézí.
Pozorování, že vřetenové neurony se vyskytují pouze u velmi významné skupiny živočichů (z lidského hlediska), vedlo ke spekulacím, že mají velký význam v lidské evoluci a/nebo mozkových funkcích. Jejich omezení na lidoopy vede k závěru, že se nevyvinuli dříve než před 15-20 miliony let, tedy před odchýlením orangutanů od afrických lidoopů.
V roce 1999 profesor John Allman, neurovědec, a kolegové z California Institute of Technology poprvé publikovali zprávu o vřetenových neuronech nalezených v přední cingulární kůře (ACC) hominidů, ale ne u jiných druhů. Neuronální objemy vřetenových neuronů ACC byly u lidí a šimpanzů gracilních větší než vřetenové neurony robustních goril a orangutanů.
Allman a jeho kolegové se ponořili za úroveň mozkové infrastruktury, aby prozkoumali, jak fungují vřetenové neurony na nadstavbové úrovni, a zaměřili se na jejich roli „řídících letového provozu“ pro emoce. Allmanův tým hlásí, že vřetenové neurony pomáhají usměrňovat neuronové signály z hloubky mozkové kůry do relativně vzdálených částí mozku.
Konkrétně Allmanův tým zjistil, že signály z ACC jsou přijímány v Brodmannově oblasti 10, ve frontální polární kůře, kde se předpokládá, že dochází k regulaci kognitivní disonance (rozcestníku mezi alternativami). Podle Allmana se zdá, že toto neurální relé zprostředkovává motivaci k jednání a týká se rozpoznání chyby. Sebeovládání – a vyhýbání se chybám – je tak usnadněno výkonnou strážní funkcí ACC, protože reguluje interferenční vzory neuronových signálů mezi těmito dvěma mozkovými oblastmi.
U lidí intenzivní emoce aktivuje přední cingulární kůru, protože předává neuronové signály přenášené z amygdaly (primární centrum pro zpracování emocí) do čelní kůry, možná tím, že funguje jako jakási čočka pro zaostření složité struktury interferenčních vzorů neuronových signálů. ACC je také aktivní během náročných úkolů vyžadujících úsudek a diskriminaci a když jsou chyby detekovány jednotlivcem. Při náročných úkolech nebo při prožívání intenzivní lásky, hněvu nebo chtíče se aktivace ACC zvyšuje. Ve studiích zobrazování mozku bylo konkrétně zjištěno, že ACC je aktivní, když matky slyší plakat kojence, což podtrhuje jeho roli při poskytování zvýšeného stupně sociální citlivosti – kognitivní funkce, v níž jsou ženy obecně zběhlejší než muži.
ACC je relativně starobylá kortikální oblast, podílí se na mnoha autonomních funkcích, včetně motorických a trávicích funkcí, a zároveň hraje roli v regulaci krevního tlaku a tepové frekvence. Zdá se, že významné čichové a chuťové schopnosti ACC a frontoinsulární kůry byly během nedávné evoluce uzurpovány k tomu, aby sloužily posíleným rolím souvisejícím s vyšším poznáním – od plánování a sebeuvědomění až po hraní rolí a klamání. Snížená čichová funkce člověka ve srovnání s ostatními primáty může souviset se skutečností, že vřetenové buňky umístěné v rozhodujících centrech neuronové sítě mají spíše jen dva dendrity než mnoho, což má za následek sníženou neurologickou integraci.
Frontoinsulární spindle neurony
Na setkání Společnosti pro neurovědy v roce 2003 Allman referoval o vřetenových buňkách, které jeho tým našel v jiné mozkové oblasti, frontoinsulární kůře, oblasti, která zřejmě prošla významnými evolučními adaptacemi lidstva – možná ještě před 100 000 lety.
Tato frontoinsulární kůra je úzce spojena s insulou, oblastí, která má velikost zhruba palce v každé hemisféře lidského mozku. insula a frontoinsulární kůra jsou součástí orbitofrontální kůry, kde se nacházejí propracované obvody spojené s prostorovým uvědoměním a smyslem pro dotek a kde se předpokládá, že vzniká a prožívá sebeuvědomění a složitost emocí. Tato oblast pravé hemisféry je navíc klíčová pro navigaci a vnímání trojrozměrných rotací.
Koncentrace spinálních neuronů
Největší počet vřetenových neuronů ACC se vyskytuje u lidí, méně u gracilních lidoopů a nejméně u robustních lidoopů. U lidí i bonobů se často vyskytují ve shlucích o 3 až 6 neuronech. V sestupném pořadí hojnosti se vyskytují u lidí, šimpanzů, goril a orangutanů. Zatímco celkové množství vřetenových neuronů ACC Allman ve své zprávě o výzkumu nenahlásil (stejně jako v pozdější zprávě popisující jejich přítomnost ve frontoinsulární kůře, viz níže), jeho tým při prvotní analýze ACC vrstvy 5 u hominidů odhalil u orangutanů v průměru ~9 vřetenových neuronů na sekci (vzácné, 0,6% buněk sekce), ~22 u goril (časté, 2,3%), ~37 u šimpanzů (hojné, 3,8%), ~68 u bonobů (hojné/shluky, 4,8%), ~89 u lidí (hojné/shluky, 5,6%).
Všichni zkoumaní primáti měli více vřetenových buněk ve frontoinsule pravé hemisféry než v levé. Na rozdíl od vyššího počtu vřetenových buněk nalezených v ACC gracilních bonobů a šimpanzů byl počet frontoinsulárních vřetenových buněk daleko vyšší v mozkové kůře robustních goril (údaje o orangutanech nebyly uvedeny). Dospělý člověk měl 82 855 takových buněk, gorila 16 710, bonobo 2 159 a šimpanz pouhých 1 808 – navzdory skutečnosti, že šimpanzi a bonobové jsou lidoopi, kteří jsou lidem nejblíže příbuzní.
Spindle neurony se mohou abnormálně vyvinout u lidí s autistickými poruchami, a abnormality mohou být také spojeny s několika psychotických poruch charakterizovaných zkreslením reality a poruchami myšlení a jazyka a odstoupení od společenského kontaktu, stejně jako schizofrenie a Alzheimerova choroba, ale výzkum těchto korelací je ve velmi rané fázi.
Abnormality fyziologické aktivity a anatomie přední cingulární kůry jsou přítomny u většiny hlavních neuropsychiatrických poruch. Allmanův tým hlásil sníženou velikost ACC a metabolickou aktivitu u autistických pacientů, jak bylo prokázáno ve strukturálních MRI a PET studiích, a aktivita ACC je také snížena u pacientů, většinou chlapců, s diagnostikovanou poruchou pozornosti, charakterizovanou poruchami chování a učení.
Studie u lidí naznačují, že vřetenní buňky jsou zvláště zranitelné
vůči degeneraci u Alzheimerovy choroby, se ztrátou
přibližně 60 procent vřetenových neuronů ACC.