Naukowcy zidentyfikowali unikalną formę komunikacji komórkowej zachodzącą w ludzkim mózgu. Ujawnia, jak wiele musimy się jeszcze dowiedzieć o jego tajemniczym działaniu.
Co ciekawe, odkrycie to sugeruje, że nasze mózgi mogą mieć potężniejsze jednostki obliczeniowe, niż sądziliśmy.
W 2020 roku naukowcy z instytutów w Niemczech i Grecji zgłosili mechanizm w pozakomórkowych komórkach korowych mózgu, który wytwarza nowy, własny sygnał „gradientowy”, sygnał, który może zapewnić poszczególnym neuronom inny sposób wykonywania ich funkcji logicznych.
Mierząc aktywność elektryczną w skrawkach tkanki usuniętych podczas operacji u pacjentów z padaczką i analizując ich strukturę za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej, neurolodzy odkryli, że poszczególne komórki w korze mózgowej wykorzystują do „uwalniania” nie tylko zwykłe jony sodu, ale także wapń.
Ta mieszanina dodatnio naładowanych jonów wyzwoliła fale napięć elektrycznych nigdy wcześniej nie widzianych, określanych jako dendrytyczne potencjały czynnościowe zależne od wapnia (dCaAP).
Mózgi – zwłaszcza ludzkie – często porównuje się do komputerów. Analogia ma swoje ograniczenia, ale na niektórych poziomach wykonują zadania w podobny sposób.
Obydwa wykorzystują moc potencjału elektrycznego do wykonywania różnych operacji. W komputerach jest to prosty przepływ elektronów przez złącza zwane tranzystorami.
W neuronach sygnał ma postać fali otwierania i zamykania kanałów, które wymieniają naładowane cząsteczki, takie jak sód, chlorek i potas. Ten impuls przepływających jonów nazywany jest impulsem Potencjał czynnościowy.
Zamiast tranzystorów neurony przewodzą te wiadomości chemicznie na końcach gałęzi zwanych dendrytami.
„Dendryty mają fundamentalne znaczenie dla zrozumienia mózgu, ponieważ w zasadzie to od nich zależy moc obliczeniowa pojedynczych neuronów” – neurolog z Uniwersytetu Humboldta Matthew Larcom powiedział Walterowi Beckwithowi W Amerykańskim Stowarzyszeniu na rzecz Postępu Nauki w styczniu 2020 r.
Dendryty są sygnalizacją świetlną naszego układu nerwowego. Jeśli potencjał czynnościowy jest wystarczająco duży, może zostać przekazany do innych nerwów, które mogą blokować lub przekazywać wiadomość.
Oto przesłanki działania naszego mózgu – fale napięcia elektrycznego, które mogą być wspólnie przekazywane w dwóch formach: albo I wiadomość (jeśli x I y jest uruchamiane i komunikat zostaje przekazany); Lub Lub wiadomość (jeśli x Lub y jest uruchamiane i komunikat zostaje przekazany).
Prawdopodobnie nigdzie nie jest to bardziej skomplikowane niż w gęstej, pomarszczonej zewnętrznej części ludzkiego centralnego układu nerwowego. Kora mózgowa. Druga i trzecia, głębsze warstwy są szczególnie grube i wypełnione gałęziami, które pełnią funkcje wyższego poziomu, które kojarzymy z wrażeniami, myślami i kontrolą motoryczną.
Naukowcy przyjrzeli się bliżej tkance tych warstw i połączyli komórki z urządzeniem zwanym synapsą somatodendrytyczną, aby wysyłać aktywne potencjały w górę i w dół każdego neuronu, rejestrując jego sygnały.
„To był moment eureki, kiedy po raz pierwszy zobaczyliśmy dendrytyczne potencjały czynnościowe”. – stwierdził Larcom.
Aby mieć pewność, że jakiekolwiek ustalenia nie ograniczają się do osób chorych na padaczkę, dwukrotnie sprawdzili swoje wyniki na niewielkiej liczbie próbek pobranych z guzów mózgu.
Chociaż zespół przeprowadził podobne eksperymenty Na myszachRodzaje sygnałów, które zaobserwowali w ludzkich komórkach, były bardzo różne.
Co ważniejsze, kiedy wstrzyknięto komórkom bloker kanału sodowego zwany tetrodotoksyną, udało im się znaleźć sygnał. Wszystko uspokoiło się dopiero poprzez zablokowanie wapnia.
Znalezienie potencjałów czynnościowych zależnych od wapnia jest wystarczająco interesujące. Jednak modelowanie sposobu, w jaki ten nowy, czuły typ sygnału działa w korze mózgowej, ujawniło niespodziankę.
W dodatku logiczne I I LubFunkcje typu, te poszczególne neurony mogą działać 'Ekskluzywny' Lub (XOR) skrzyżowaniaktóry dopuszcza sygnał tylko wtedy, gdy inny sygnał jest sklasyfikowany w określony sposób.
„Tradycyjnie, XOR „Uważa się, że proces ten wymaga rozwiązania sieciowego”. Badacze napisali.
Należy włożyć więcej pracy, aby zbadać, jak dCaAP zachowują się w całych neuronach i w żywym systemie. Nie wspominając już o tym, czy dotyczy to ludzi, czy też podobne mechanizmy wyewoluowały gdzie indziej w królestwie zwierząt.
Technologia szuka także inspiracji w naszym układzie nerwowym w zakresie opracowywania lepszych urządzeń; Świadomość, że nasze pojedyncze komórki mają kilka dodatkowych asów w zanadrzu, może prowadzić do nowych sposobów łączenia tranzystorów z sieciami.
W jaki sposób to nowe narzędzie rozumowania ograniczone do pojedynczego neuronu przekłada się na wyższe funkcje, to pytanie, na które muszą odpowiedzieć przyszli badacze.
Badanie to zostało opublikowane w Nauki.
Wersja tego artykułu została pierwotnie opublikowana w styczniu 2020 r.
