Με συναρπαστικό τρόπο, η ανακάλυψη υπονοεί ότι ο εγκέφαλός μας μπορεί να έχει ακόμη πιο ισχυρές μονάδες υπολογισμού από ό,τι είχαμε καταλάβει.

Το 2020, ερευνητές από ινστιτούτα στη Γερμανία και την Ελλάδα ανέφεραν έναν μηχανισμό στα εξωτερικά φλοιώδη κύτταρα του εγκεφάλου που παράγει ένα νέο «βαθμολογημένο» σήμα από μόνο του, ένα σήμα που θα μπορούσε να παρέχει τη δυνατότητα στους μεμονωμένους νευρώνες έναν άλλο τρόπο να εκτελούν τις λογικές τους λειτουργίες.

Μετρώντας την ηλεκτρική δραστηριότητα σε τμήματα ιστού που αφαιρέθηκαν κατά τη διάρκεια χειρουργικής επέμβασης σε επιληπτικούς ασθενείς και αναλύοντας τη δομή τους χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο φθορισμού, οι νευρολόγοι βρήκαν μεμονωμένα κύτταρα στον φλοιό που χρησιμοποιούσαν όχι μόνο τα συνηθισμένα ιόντα νατρίου για να «πυροδοτηθούν», αλλά και ασβεστίου.

Αυτός ο συνδυασμός θετικά φορτισμένων ιόντων εκτόξευσε κύματα τάσης που δεν είχαν δει ποτέ πριν, που αναφέρονται ως δυναμικά δενδριτικής δράσης με μεσολάβηση ασβεστίου ή dCaAP.

Οι εγκέφαλοι – ειδικά οι ανθρώπινοι – συχνά συγκρίνονται με τους υπολογιστές. Η αναλογία έχει τα όριά της, αλλά σε ορισμένα επίπεδα εκτελούν εργασίες με παρόμοιους τρόπους.

Και οι δύο χρησιμοποιούν την ισχύ μιας ηλεκτρικής τάσης για να πραγματοποιήσουν διάφορες λειτουργίες. Στους υπολογιστές έχει τη μορφή μιας μάλλον απλής ροής ηλεκτρονίων μέσω τομών που ονομάζονται τρανζίστορ.

Στους νευρώνες, το σήμα έχει τη μορφή ενός κύματος καναλιών ανοίγματος και κλεισίματος που ανταλλάσσουν φορτισμένα σωματίδια όπως νάτριο, χλωρίδιο και κάλιο. Αυτός ο παλμός ιόντων που ρέουν ονομάζεται δυναμικό δράσης .

Αντί για τρανζίστορ, οι νευρώνες διαχειρίζονται αυτά τα μηνύματα χημικά στο τέλος των κλάδων που ονομάζονται δενδρίτες.

«Οι δενδρίτες είναι κεντρικοί για την κατανόηση του εγκεφάλου, επειδή βρίσκονται στον πυρήνα αυτού που καθορίζει την υπολογιστική ισχύ των μεμονωμένων νευρώνων», είπε ο νευροεπιστήμονας του Πανεπιστημίου Humboldt, Μάθιου Λάρκουμ, στον Walter Beckwith στην Αμερικανική Ένωση για την Πρόοδο της Επιστήμης τον Ιανουάριο του 2020.

Οι δενδρίτες είναι τα φανάρια του νευρικού μας συστήματος. Εάν ένα δυναμικό δράσης είναι αρκετά σημαντικό, μπορεί να μεταδοθεί σε άλλα νεύρα, τα οποία μπορούν να μπλοκάρουν ή να μεταδώσουν το μήνυμα.

Αυτό είναι το λογικό υπόβαθρο του εγκεφάλου μας – κυματισμοί τάσης που μπορούν να μεταδοθούν συλλογικά με δύο μορφές: είτε ένα μήνυμα AND – ΚΑΙ (αν ενεργοποιηθούν τα x και y, το μήνυμα μεταβιβάζεται) ή ένα μήνυμα OR – Ή (εάν ενεργοποιηθεί το x ή το y, το μήνυμα μεταβιβάζεται).

Αναμφισβήτητα, πουθενά αυτό δεν είναι πιο περίπλοκο από το πυκνό, ζαρωμένο εξωτερικό τμήμα του ανθρώπινου κεντρικού νευρικού συστήματος, τον εγκεφαλικό φλοιό. Το βαθύτερο δεύτερο και τρίτο στρώμα είναι ιδιαίτερα παχιά, γεμάτα με κλαδιά που εκτελούν λειτουργίες υψηλής τάξης που συνδέουμε με την αίσθηση, τη σκέψη και τον κινητικό έλεγχο.

Οι ερευνητές εξέτασαν προσεκτικά τους ιστούς από αυτά τα στρώματα, συνδέοντας τα κύτταρα σε μια συσκευή που ονομάζεται σωματοδενδριτικό έμπλαστρο για να στείλει ενεργά δυναμικά πάνω και κάτω σε κάθε νευρώνα, καταγράφοντας τα σήματα τους.

«Υπήρξε μια στιγμή που είπαμε ότι ανακαλύψαμε κάτι όταν είδαμε τα δυναμικά δενδριτικής δράσης για πρώτη φορά», είπε ο Λάρκουμ .

Για να διασφαλίσουν ότι τυχόν ανακαλύψεις δεν ήταν μοναδικές για άτομα με επιληψία, έλεγξαν τα αποτελέσματά τους σε μια χούφτα δείγματα που ελήφθησαν από όγκους εγκεφάλου.

Ενώ η ομάδα είχε πραγματοποιήσει παρόμοια πειράματα σε αρουραίους , τα είδη των σημάτων που παρατήρησαν να βουίζουν μέσα από τα ανθρώπινα κύτταρα ήταν πολύ διαφορετικά.

Το πιο σημαντικό, όταν έβαλαν στα κύτταρα έναν αναστολέα διαύλων νατρίου που ονομάζεται τετροδοτοξίνη, βρήκαν ακόμα ένα σήμα. Μόνο όταν μπλοκάρισαν το ασβέστιο σταμάτησαν όλα.

Η εύρεση ενός δυναμικού δράσης με τη μεσολάβηση του ασβεστίου είναι αρκετά ενδιαφέρουσα. Αλλά η μοντελοποίηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργούσε αυτό το ευαίσθητο νέο είδος σήματος στον φλοιό αποκάλυψε μια έκπληξη.

Εκτός από τις λογικές συναρτήσεις τύπου AND και OR , αυτοί οι μεμονωμένοι νευρώνες θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως «αποκλειστικές» συναρτήσεις OR ( XOR ) , οι οποίες επιτρέπουν ένα σήμα μόνο όταν ένα άλλο σήμα βαθμολογείται με συγκεκριμένο τρόπο.

“Παραδοσιακά, η λειτουργία XOR θεωρείται ότι απαιτεί μια λύση δικτύου”, έγραψαν οι ερευνητές.

Χρειάζεται περισσότερη δουλειά για να δούμε πώς συμπεριφέρονται τα dCaAP σε ολόκληρους νευρώνες και σε ένα ζωντανό σύστημα. Για να μην αναφέρουμε το να δούμε αν αυτό γίνεται αποκλειστικά στον ανθρώπινο εγκέφαλο ή αν παρόμοιοι μηχανισμοί έχουν εξελιχθεί και σε ζώα.

Η τεχνολογία αναζητά επίσης το δικό μας νευρικό σύστημα για έμπνευση για το πώς να αναπτύξει καλύτερο υλικό. Γνωρίζοντας ότι τα δικά μας μεμονωμένα κύτταρα έχουν μερικά ακόμη “κόλπα” που δεν έχουν ανακαλυφθεί, αν τα εντοπίζαμε αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους δικτύωσης τρανζίστορ.

Το πώς ακριβώς αυτό το νέο λογικό εργαλείο που συμπιέζεται σε ένα μόνο νευρικό κύτταρο μεταφράζεται σε ανώτερες λειτουργίες είναι ένα ερώτημα που πρέπει να απαντήσουν οι μελλοντικοί ερευνητές.

Αυτή η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Science.

(photo: pixabay)