Ученые обнаружили уникальную форму обмена сообщениями между клетками, происходящую в человеческом мозге, которая ранее не наблюдалась. Поразительно, но это открытие намекает на то, что наш мозг может быть даже более мощной вычислительной единицей, чем мы предполагали.
В начале прошлого года исследователи из институтов Германии и Греции сообщили о механизме в клетках мозга внешней коры, который сам по себе производит новый «градуированный» сигнал, который может предоставить отдельным нейронам другой способ выполнения своих логических функций.
Измеряя электрическую активность участков ткани, удаленных во время операции у пациентов с эпилепсией, и анализируя их структуру с помощью флуоресцентной микроскопии, неврологи обнаружили, что отдельные клетки коры головного мозга используют не только обычные ионы натрия, но и кальций.
Эта комбинация положительно заряженных ионов запускала волны напряжения, которые никогда не наблюдались раньше, называемые опосредованными кальцием потенциалами дендритного действия, или dCaAP.
Мозг - особенно человеческий - часто сравнивают с компьютерами. У аналогии есть свои пределы, но в некоторых случаях они выполняют задачи аналогичным образом.
Оба используют силу электрического напряжения для выполнения различных операций. В компьютерах это представляет собой довольно простой поток электронов через транзисторы.
В нейронах сигнал имеет форму волны открытия и закрытия каналов, которые обмениваются заряженными частицами, такими как натрий, хлорид и калий. Этот импульс протекающих ионов называется потенциалом действия.
Вместо транзисторов нейроны управляют этими сообщениями химически на концах ветвей, называемых дендритами.
«Дендриты играют центральную роль в понимании мозга, потому что они лежат в основе того, что определяет вычислительную мощность отдельных нейронов», - сказал нейробиолог из Университета Гумбольдта Мэтью Ларкум Уолтеру Беквиту в Американской ассоциации развития науки в январе 2020 года.
Дендриты - это светофоры нашей нервной системы. Если потенциал действия достаточно велик, он может быть передан другим нервам, которые могут заблокировать или передать сообщение.
Это логическая основа нашего мозга - колебания напряжения, которые могут передаваться вместе в двух формах: либо сообщение И (если срабатывают x и y, сообщение передается); или сообщение ИЛИ (если срабатывает x или y, сообщение передается).
Возможно, что нигде это не является более сложным, чем в плотной, морщинистой внешней части центральной нервной системы человека - коре головного мозга. Более глубокие второй и третий слои особенно толстые, они заполнены ветвями, которые выполняют функции высокого порядка, которые мы связываем с ощущениями, мыслями и контролем моторики.
Исследователи внимательно изучали ткани из этих слоев, подключая клетки к устройству, называемому соматодендритным пластырем, чтобы посылать потенциал действия вверх и вниз по каждому нейрону, записывая их сигналы.
«Был момент «эврики», когда мы впервые увидели потенциалы действия дендритов», - сказал Ларкум.
Чтобы убедиться, что какие-либо открытия не были уникальными для людей с эпилепсией, они дважды проверили свои результаты на нескольких образцах, взятых из опухолей головного мозга.
Хотя команда проводила аналогичные эксперименты на крысах, типы сигналов, которые они наблюдали, проходя через клетки человека, были очень разными.
Что еще более важно, когда они вводили в клетки блокатор натриевых каналов, называемый тетродотоксином, они все же обнаружили сигнал. Только заблокировав кальций, все утихло.
Достаточно интересно найти потенциал действия, опосредованный кальцием. Но моделирование того, как этот чувствительный новый вид сигнала работал в коре головного мозга, было неожиданным.
В дополнение к функциям логического И и ИЛИ , эти отдельные нейроны могут действовать как пересечения «исключающее» ИЛИ (XOR), которые разрешают сигнал только тогда, когда другой сигнал оценивается определенным образом.
«Традиционно считалось, что операция XOR требует сетевого решения», - пишут исследователи.
Необходимо проделать дополнительную работу, чтобы увидеть, как dCaAP ведут себя во всех нейронах и в живой системе. Не говоря уже о том, связано ли это с человеком или аналогичные механизмы развились где-то еще в животном мире.
Технологии также обращаются к нашей нервной системе в поисках вдохновения для разработки лучшего оборудования; знание того, что у наших индивидуальных ячеек есть еще несколько тузов в рукаве, может привести к новым способам объединения транзисторов в сеть.
Как именно этот новый логический инструмент, сжатый в одну нервную клетку, переводится в высшие функции, - это вопрос, на который предстоит ответить будущим исследователям.
Это исследование было опубликовано в журнале Science.
Комментарии
Комментарий удален модератором