Vřetenovité neurony jsou specifickou třídou neuronů, které se podílejí na přenosu signálů v nervové soustavě a vyznačují se velkým vřetenovitým somatem, který se postupně zužuje do jediného apikálního dendritu (axonu) v jednom směru, přičemž pouze jediný dendrit směřuje opačným směrem. Zatímco jiné typy neuronů mají obvykle mnoho dendritů, polární morfologie vřetenovitých neuronů je jedinečná a byla nalezena pouze ve dvou velmi omezených oblastech v mozku hominidů – čeledi druhů zahrnující člověka a lidoopy.
Funkce vřetenových neuronů
Vřetenovité neurony jsou relativně obrovské buňky, které lámou vlny nervových signálů přenášených ve vlnách z jedné oblasti mozku do jiných oblastí. Vřetenovité neurony se podle vědců podílejí na nesčetných kognitivních schopnostech a postiženích, která jsou obecně pro člověka jedinečná, od savantského vnímání a dokonalého sluchu až po dyslexii a autismus. Ačkoli jsou v porovnání s ostatními neurony vzácné, vřetenové neurony jsou nejhojnější a největší u lidí; dosud byly nalezeny pouze v přední cingulární kůře (ACC) a frontoinsulární kůře hominidů.
Zdá se, že vřetenovité buňky hrají ústřední roli ve vývoji inteligentního chování a adaptivní reakce na měnící se podmínky a kognitivní nesoulad. Vznikají postnatálně a nakonec se široce propojují s různými částmi mozku, což dokládá jejich zásadní podíl na vynikající schopnosti hominidů soustředit se na obtížné problémy. Důkazy o významu jejich role byly zjištěny prostřednictvím záznamu jednotlivých neuronů, elektrické stimulace, EEG, PET, fMRI a studií lézí.
Pozorování, že se vřetenovité neurony vyskytují pouze u velmi významné skupiny živočichů (z lidského hlediska), vedlo ke spekulacím, že mají velký význam pro evoluci člověka a/nebo funkci mozku. Jejich omezení na lidoopy vede k závěru, že se nevyvinuly dříve než před 15-20 miliony let, tedy před odklonem orangutanů od afrických lidoopů.
V roce 1999 profesor John Allman, neurolog, a jeho kolegové z Kalifornského technologického institutu poprvé publikovali zprávu o vřetenovitých neuronech, které se nacházejí v přední cingulární kůře (ACC) hominidů, ale ne u žádného jiného druhu. Objem neuronů vřetenovitých neuronů ACC byl u lidí a šimpanzů gracilních větší než objem neuronů vřetenovitých neuronů robustních goril a orangutanů.
Allman a jeho kolegové se vydali za hranice mozkové infrastruktury a zkoumali, jak vřetenové neurony fungují na nadstavbové úrovni, přičemž se zaměřili na jejich roli „leteckých dispečerů“ pro emoce. Allmanův tým uvádí, že vřetenové neurony pomáhají směrovat nervové signály z hloubi 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 regulace kognitivní disonance (rozlišování mezi alternativami). Podle Allmana se zdá, že toto nervové relé zprostředkovává motivaci k jednání a týká se rozpoznání chyby. Sebeovládání – a vyhýbání se chybám – je tedy usnadněno výkonnou strážní funkcí ACC, protože reguluje interferenční vzorce nervových signálů mezi těmito dvěma oblastmi mozku.
U lidí intenzivní emoce aktivují přední cingulární kůru, protože přenáší nervové signály přenášené z amygdaly (primárního centra pro zpracování emocí) do čelní kůry, možná tím, že funguje jako jakási čočka, která zaostřuje složitou strukturu interferenčních vzorců nervových signálů. ACC je také aktivní při náročných úkolech vyžadujících úsudek a rozlišování a při odhalování chyb jedince. Během náročných úkolů nebo při intenzivním prožívání lásky, hněvu či chtíče se aktivace ACC zvyšuje. Ve studiích zobrazování mozku bylo konkrétně zjištěno, že ACC je aktivní, když matky slyší pláč kojenců, což podtrhuje jeho roli při poskytování zvýšeného stupně sociální citlivosti – kognitivní funkce, v níž jsou ženy obecně zdatnější než muži.
ACC je poměrně stará korová oblast, která se podílí na mnoha autonomních funkcích, včetně motorických a trávicích, a zároveň hraje roli v regulaci krevního tlaku a srdeční frekvence. Zdá se, že významné čichové a chuťové schopnosti ACC a frontoinsulární kůry byly během nedávné evoluce uzurpovány, aby sloužily rozšířeným rolím souvisejícím s vyššími kognicí – od plánování a uvědomování si sebe sama až po hraní rolí a klamání. Snížená čichová funkce člověka ve srovnání s ostatními primáty může souviset se skutečností, že vřetenovité buňky nacházející se v klíčových uzlech nervové sítě mají pouze dva dendrity místo mnoha, což vede ke snížené neurologické integraci.
Frontoinsulární vřetenové neurony
Na setkání Společnosti pro neurovědy v roce 2003 Allman informoval o vřetenovitých buňkách, které jeho tým nalezl v jiné oblasti mozku, ve frontoinsulární kůře, v oblasti, která zřejmě prošla u člověka významnými evolučními úpravami – možná již před 100 000 lety.
Tato frontoinsulární kůra je úzce spojena s inzulou, oblastí, která je v každé mozkové hemisféře velká zhruba jako palec. Insula a frontoinsulární kůra jsou součástí orbitofrontální kůry, kde se nacházejí složité obvody spojené s prostorovým vědomím a hmatem a kde se předpokládá, že se vytváří a prožívá sebeuvědomění a složitost emocí. Tato oblast pravé hemisféry je navíc klíčová pro navigaci a vnímání trojrozměrných rotací.
Koncentrace vřetenových neuronů
Největší počet neuronů vřeténka ACC se nachází u člověka, méně u lidoopů a nejméně u robustních lidoopů. U lidí i bonobů se často vyskytují ve shlucích po 3 až 6 neuronech. V sestupném pořadí podle četnosti se vyskytují u lidí, šimpanzů, goril a orangutanů. Ačkoli celkové množství vřetenovitých neuronů ACC Allman ve své zásadní výzkumné zprávě neuvedl (stejně jako v pozdější zprávě popisující jejich přítomnost ve frontoinsulární kůře, viz níže), počáteční analýza vrstvy ACC 5 u hominidů, kterou provedl jeho tým, odhalila u orangutanů průměrně ~9 vřetenovitých neuronů na řez (u šimpanzů vzácně 0.6 % buněk řezu), ~22 u goril (časté, 2,3 %), ~37 u šimpanzů (hojné, 3,8 %), ~68 u bonobů (hojné/klastr, 4,8 %), ~89 u lidí (hojné/klastr, 5,6 %).
Všichni zkoumaní primáti měli více vřetenitých buněk ve frontoinsula pravé hemisféry než v levé. Na rozdíl od vyššího počtu vřetenitých buněk zjištěného v ACC u bonobů a šimpanzů gracilních byl počet frontoinsulárních vřetenitých buněk mnohem vyšší v kůře robustních goril (údaje pro orangutany nebyly uvedeny). Dospělý člověk měl 82 855 takových buněk, gorila 16 710, bonobo 2 159 a šimpanz pouhých 1 808 – navzdory tomu, že šimpanzi a bonobové jsou lidoopi nejblíže příbuzní člověku.
Vřetenovité neurony se mohou abnormálně vyvíjet u lidí s autistickými poruchami a abnormality mohou souviset i s několika psychotickými poruchami, které se vyznačují zkreslením reality, poruchami myšlení a řeči a odchodem ze sociálního kontaktu, stejně jako se schizofrenií a Alzheimerovou chorobou, ale výzkum těchto souvislostí je ve velmi raném stadiu.
Abnormality ve fyziologické aktivitě a anatomii přední cingulární kůry jsou přítomny u většiny hlavních neuropsychiatrických poruch. Allmanův tým zaznamenal sníženou velikost ACC a metabolickou aktivitu u pacientů s autismem, jak odhalily strukturální studie MRI a PET, a aktivita ACC je snížena také u pacientů, většinou chlapců, u nichž byla diagnostikována porucha pozornosti, charakterizovaná poruchami chování a učení.
Studie u lidí ukazují, že vřetenovité buňky jsou obzvláště zranitelné.
k degeneraci při Alzheimerově chorobě, kdy dochází k úbytku
přibližně 60 % vřetenovitých neuronů ACC.