Οι επιστήμονες εντόπισαν μια μοναδική μορφή κυτταρικής ανταλλαγής μηνυμάτων που συμβαίνει στον ανθρώπινο εγκέφαλο, αποκαλύπτοντας πόσα πολλά έχουμε ακόμη να μάθουμε για τις μυστηριώδεις εσωτερικές λειτουργίες του. Είναι συναρπαστικό ότι η ανακάλυψη υποδηλώνει ότι ο εγκέφαλός μας μπορεί να είναι ακόμη πιο ισχυρή μονάδα υπολογισμού από ό,τι είχαμε συνειδητοποιήσει.
Το 2020, ερευνητές από ινστιτούτα της Γερμανίας και της Ελλάδας ανέφεραν έναν μηχανισμό στα εξωτερικά φλοιώδη κύτταρα του εγκεφάλου που παράγει από μόνος του ένα νέο “διαβαθμισμένο” σήμα, το οποίο θα μπορούσε να παρέχει στους επιμέρους 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 με τη χρήση φθορίζουσας μικροσκοπίας, οι νευρολόγοι διαπίστωσαν ότι τα μεμονωμένα κύτταρα του φλοιού χρησιμοποιούν όχι μόνο τα συνήθη ιόντα νατρίου για να “πυροδοτήσουν”, αλλά και ασβέστιο.
Αυτός ο συνδυασμός θετικά φορτισμένων ιόντων πυροδοτούσε κύματα τάσης που δεν είχαν παρατηρηθεί ποτέ πριν, τα οποία αναφέρονται ως δυναμικά δράσης με τη μεσολάβηση ασβεστίου σε δενδρίτες, ή dCaAPs.
Οι εγκέφαλοι -ιδιαίτερα οι ανθρώπινοι- συχνά συγκρίνονται με υπολογιστές. Η αναλογία έχει τα όριά της, αλλά σε ορισμένα επίπεδα εκτελούν εργασίες με παρόμοιους τρόπους.
Και οι δύο χρησιμοποιούν τη δύναμη μιας ηλεκτρικής τάσης για να εκτελέσουν διάφορες λειτουργίες. Στους υπολογιστές αυτή έχει τη μορφή μιας μάλλον απλής ροής ηλεκτρονίων μέσω διασταυρώσεων που ονομάζονται τρανζίστορ.
Στους νευρώνες, το σήμα έχει τη μορφή ενός κύματος ανοίγματος και κλεισίματος καναλιών που ανταλλάσσουν φορτισμένα σωματίδια, όπως νάτριο, χλώριο και κάλιο. Αυτός ο παλμός ροής ιόντων ονομάζεται δυναμικό δράσης.
Αντί για τρανζίστορ, οι νευρώνες διαχειρίζονται αυτά τα μηνύματα χημικά στο τέλος των κλάδων που ονομάζονται δενδρίτες.
“Οι δενδρίτες είναι κεντρικής σημασίας για την κατανόηση του εγκεφάλου, επειδή βρίσκονται στον πυρήνα αυτού που καθορίζει την υπολογιστική ισχύ των μεμονωμένων νευρώνων”, δήλωσε ο νευροεπιστήμονας Matthew Larkum του Πανεπιστημίου Humboldt στον Walter Beckwith στην Αμερικανική Ένωση για την Προώθηση της Επιστήμης τον Ιανουάριο του 2020.
Οι δενδρίτες είναι οι φωτεινοί σηματοδότες του νευρικού μας συστήματος. Εάν ένα δυναμικό δράσης είναι αρκετά σημαντικό, μπορεί να μεταβιβαστεί σε άλλα νεύρα, τα οποία μπορούν να μπλοκάρουν ή να μεταβιβάσουν το μήνυμα.
Αυτό είναι το λογικό υπόβαθρο του εγκεφάλου μας – κυματισμοί τάσης που μπορούν να επικοινωνηθούν συλλογικά με δύο μορφές: είτε ένα μήνυμα AND (αν ενεργοποιηθούν τα x και y, το μήνυμα μεταβιβάζεται)- είτε ένα μήνυμα OR (αν ενεργοποιηθεί το x ή το y, το μήνυμα μεταβιβάζεται).
Αναμφισβήτητα, αυτό δεν είναι πουθενά πιο πολύπλοκο από ό,τι στο πυκνό, ρυτιδωμένο εξωτερικό τμήμα του ανθρώπινου κεντρικού νευρικού συστήματος, τον εγκεφαλικό φλοιό. Το βαθύτερο δεύτερο και τρίτο στρώμα είναι ιδιαίτερα παχύ, γεμάτο με διακλαδώσεις που εκτελούν λειτουργίες υψηλής τάξης που συνδέουμε με την αίσθηση, τη σκέψη και τον κινητικό έλεγχο.
Οι ερευνητές εξέτασαν προσεκτικά τους ιστούς αυτών των στρωμάτων, συνδέοντας τα κύτταρα με μια συσκευή που ονομάζεται σωματοδενδριτικός patch clamp για να στείλουν ενεργά δυναμικά πάνω και κάτω από κάθε νευρώνα, καταγράφοντας τα σήματά τους.
Υπήρξε μια “ευρηματική” στιγμή όταν είδαμε για πρώτη φορά τα δενδριτικά δυναμικά δράσης”, δήλωσε ο Larkum.
Για να διασφαλίσουν ότι οι όποιες ανακαλύψεις δεν αφορούσαν μόνο τα άτομα με επιληψία, έλεγξαν εκ νέου τα αποτελέσματά τους σε μια χούφτα δείγματα που ελήφθησαν από όγκους του 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 είναι ότι, όταν χορήγησαν στα κύτταρα έναν αναστολέα των διαύλων νατρίου που ονομάζεται τετροδοτοξίνη, εξακολουθούσαν να βρίσκουν σήμα. Μόνο με τον αποκλεισμό του ασβεστίου όλα ησύχασαν.
Η εύρεση ενός δυναμικού δράσης με τη μεσολάβηση του ασβεστίου είναι αρκετά ενδιαφέρουσα. Αλλά η μοντελοποίηση του τρόπου λειτουργίας αυτού του ευαίσθητου νέου είδους σήματος στον φλοιό αποκάλυψε μια έκπληξη.
Εκτός από τις λογικές λειτουργίες τύπου AND και OR, αυτοί οι μεμονωμένοι νευρώνες θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως “αποκλειστικές” διασταυρώσεις OR (XOR), οι οποίες επιτρέπουν ένα σήμα μόνο όταν ένα άλλο σήμα διαβαθμίζεται με συγκεκριμένο τρόπο.
“Παραδοσιακά, η λειτουργία XOR θεωρείται ότι απαιτεί λύση δικτύου”, έγραψαν οι ερευνητές.
Πρέπει να γίνει περισσότερη δουλειά για να δούμε πώς συμπεριφέρονται τα dCaAPs σε ολόκληρους νευρώνες και σε ένα ζωντανό σύστημα. Για να μην αναφέρουμε αν πρόκειται για κάτι ανθρώπινο, ή αν παρόμοιοι μηχανισμοί έχουν εξελιχθεί αλλού στο ζωικό βασίλειο.
Η τεχνολογία αναζητά επίσης έμπνευση από το δικό μας νευρικό σύστημα για την ανάπτυξη καλύτερου υλικού.Η γνώση ότι τα δικά μας μεμονωμένα κύτταρα έχουν μερικά ακόμη κόλπα στο μανίκι τους θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους δικτύωσης των 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.