Нещодавно вчені ідентифікували унікальну форму клітинного обміну повідомленнями, що відбувається в мозку людини, якої раніше не було. Цікаво, що відкриття натякає на те, що наш мозок може бути навіть більш потужною обчислювальною одиницею, ніж ми думали.
Ще в 2020 році дослідники з інститутів Німеччини та Греції повідомили про механізм у зовнішніх клітинах кори головного мозку, який сам по собі виробляє новий «градуйований» сигнал, який може надати окремим нейронам інший спосіб виконання своїх логічних функцій.
Вимірюючи електричну активність у ділянках тканини, видалених під час операції на хворих на епілепсію, і аналізуючи їхню структуру за допомогою флуоресцентної мікроскопії, неврологи виявили, що окремі клітини в корі головного мозку використовують не лише звичайні іони натрію для «вогню», але й кальцію.
Ця комбінація позитивно заряджених іонів викликала хвилі напруги, які ніколи раніше не спостерігалися, і називаються опосередкованими кальцієм дендритними потенціалами дії, або dCaAP.
Мозок, особливо людський, часто порівнюють з комп’ютером. Аналогія має свої межі , але на деяких рівнях вони виконують завдання подібним чином.
Обидва використовують потужність електричної напруги для виконання різних операцій. У комп’ютерах це у формі досить простого потоку електронів через перетини, які називаються транзисторами.
У нейронах сигнал має форму хвилі відкриваються і закриваються каналів, які обмінюються зарядженими частинками, такими як натрій, хлорид і калій. Цей імпульс потоку іонів називається потенціалом дії .
Замість транзисторів нейрони керують цими повідомленнями хімічно на кінці розгалужень, які називаються дендритами. «Дендрити є ключовими для розуміння мозку, оскільки вони є основою того, що визначає обчислювальну потужність окремих нейронів», — сказав нейробіолог Метью Ларкум з Університету Гумбольдта Волтеру Беквіту в Американській асоціації сприяння розвитку науки в січні 2020 року.
Дендрити – це світлофори нашої нервової системи. Якщо потенціал дії досить значний, його можна передати іншим нервам, які можуть блокувати або передати повідомлення.
Це логічна основа нашого мозку – пульсації напруги, які можуть передаватися разом у двох формах: або повідомлення І (якщо x і y запускаються, повідомлення передається далі); або повідомлення АБО (якщо спрацьовує x або y, повідомлення передається далі).
Можливо, ніде це не так складно, як у щільному, зморшкуватому зовнішньому відділі центральної нервової системи людини; кора головного мозку. Глибші другий і третій шари особливо товсті, наповнені гілками, які виконують функції високого порядку, які ми асоціюємо з відчуттями, мисленням і руховим контролем.
Дослідники уважно розглянули тканини з цих шарів, підключивши клітини до пристрою під назвою соматодендритний затискач, щоб посилати активні потенціали вгору та вниз по кожному нейрону, записуючи їхні сигнали.
«Був момент «еврики», коли ми вперше побачили дендритні потенціали дії», — сказав Ларкум.
Щоб переконатися, що будь-які відкриття не є унікальними для людей з епілепсією, вони двічі перевірили свої результати на декількох зразках, взятих із пухлин головного мозку.
Хоча команда проводила подібні експерименти на щурах , типи сигналів, які вони спостерігали, що дзижчать у людських клітинах, були дуже різними.
Що ще важливіше, коли вони ввели в клітини блокатор натрієвих каналів під назвою тетродотоксин , вони все одно виявили сигнал. Тільки блокуванням кальцію все затихло.
Пошук потенціалу дії, опосередкованого кальцієм, досить цікавий. Але моделювання того, як цей чутливий новий вид сигналу працює в корі головного мозку, виявило сюрприз.
На додаток до логічних функцій типу І та АБО , ці окремі нейрони можуть діяти як «виключне» АБО ( XOR ) перетину, що дозволяє сигнал лише тоді, коли інший сигнал оцінюється певним чином.
«Традиційно вважалося, що операція XOR потребує мережевого рішення», — пишуть дослідники.
Потрібна додаткова робота, щоб побачити, як dCaAP поводяться на всіх нейронах і в живій системі. Не кажучи вже про те, чи це людська річ, чи подібні механізми розвинулися деінде в тваринному світі.
Технологія також шукає натхнення в нашій власній нервовій системі щодо розробки кращого апаратного забезпечення; знання наших власних індивідуальних клітин має ще кілька трюків у рукаві, що може призвести до нових способів підключення транзисторів до мережі.
Як саме цей новий логічний інструмент, втиснутий в одну нервову клітину, перетворюється на вищі функції, це питання, на яке повинні відповісти майбутні дослідники.
Це дослідження було опубліковано в Science.
