Wetenschappers zijn erin geslaagd een unieke vorm van cellulaire berichtenuitwisseling te identificeren die in het menselijk brein voorkomt. Het laat zien hoeveel we nog moeten leren over de mysterieuze innerlijke werking ervan.
Interessant genoeg suggereert deze ontdekking dat onze hersenen mogelijk krachtigere rekeneenheden zijn dan we dachten.
In 2020 rapporteerden onderzoekers van instituten in Duitsland en Griekenland over een mechanisme in de extracellulaire corticale cellen van de hersenen dat op zichzelf een nieuw ‘gradiënt’-signaal produceert, een signaal dat individuele neuronen een andere manier zou kunnen bieden om hun logische functies uit te voeren.
Door de elektrische activiteit te meten in delen van weefsel die tijdens operaties bij epilepsiepatiënten zijn verwijderd en door de structuur ervan te analyseren met behulp van fluorescentiemicroscopie, hebben neurowetenschappers ontdekt dat individuele cellen in de hersenschors niet alleen de gebruikelijke natriumionen gebruiken om te vuren, maar ook calcium.
Deze combinatie van positief geladen ionen veroorzaakte golven van elektrische potentiaal die nog nooit eerder waren gezien, die calcium-gemedieerde dendritische actiepotentialen of dCaAP’s worden genoemd.
Hersenen – vooral die van de menselijke soort – worden vaak vergeleken met computers. Deze meting heeft inderdaad zijn beperkingen, maar op sommige niveaus voeren de apparaten hun taken op vergelijkbare manieren uit.
Beide gebruiken de kracht van elektrische spanning om verschillende bewerkingen uit te voeren. In computers is dit een eenvoudige stroom van elektronen door knooppunten die transistors worden genoemd.
In neuronen heeft het signaal de vorm van een golf van open en gesloten kanalen die geladen deeltjes zoals natrium, chloride en kalium uitwisselen. Deze puls van stromende ionen wordt een puls genoemd Actiepotentiaal.
In plaats van transistors geleiden neuronen deze berichten chemisch aan het einde van takken die dendrieten worden genoemd.
“Neurondendrieten zijn van fundamenteel belang voor het begrijpen van de hersenen, omdat ze de kern vormen van wat de rekenkracht van individuele neuronen bepaalt”, zegt de neurowetenschapper van de Humboldt Universiteit. Matthew Larcom vertelde het aan Walter Beckwith Bij de American Association for the Advancement of Science in januari 2020.
Neurale dendrieten zijn de verkeerssignalen in ons zenuwstelsel. Als het actiepotentiaal groot genoeg is, kan het worden doorgegeven aan andere zenuwen, die de boodschap kunnen blokkeren of doorgeven.
Dit is de grondgedachte van onze hersenen: elektrische spanningsrimpels die collectief in twee vormen kunnen worden gecommuniceerd: ofwel En bericht (als x En Indien ingeschakeld, wordt het bericht doorgegeven); of of bericht (als x of y wordt uitgevoerd en het bericht wordt doorgegeven).
Dit is zeker complexer dan waar dan ook in het dichte, gerimpelde buitenste deel van het menselijke centrale zenuwstelsel; Hersenschors. De tweede en derde diepere lagen zijn bijzonder dik, gevuld met takken die functies op een hoger niveau uitvoeren die we associëren met gevoel, gedachten en bewegingscontrole.
De onderzoekers onderzochten het weefsel van deze lagen nauwkeurig en verbonden de cellen met een apparaat dat een dendritische somatische patchklem wordt genoemd en dat actieve potentiëlen op en neer door elk neuron stuurt en de signalen registreert.
“Er was een geweldig eureka-moment toen we voor het eerst dendritische actiepotentialen zagen,” zei Larcom.
Om er zeker van te zijn dat de bevindingen niet uniek waren voor mensen met epilepsie, hebben ze hun bevindingen opnieuw geverifieerd in een klein aantal monsters van hersentumoren.
Terwijl het team soortgelijke experimenten uitvoerde Op muizenDe soorten signalen die ze door menselijke cellen zagen zoemen, waren heel verschillend.
Belangrijker nog: toen ze de cellen een dosis van een natriumkanaalblokker gaven, genaamd tetrodotoxine, vonden ze een signaal. Alles kalmeerde alleen door het achterhouden van calcium.
De ontdekking van een door calcium gemedieerd actiepotentiaal is interessant genoeg. Maar het modelleren van de manier waarop dit gevoelige nieuwe type signaal in de hersenschors werkt, heeft een verrassing onthuld.
Naast logisch En En of– type functies, deze individuele neuronen kunnen fungeren als ‘Exclusief’ of (XOR) kruispuntendie alleen een signaal toestaat als een ander signaal met een bepaalde stijl is geclassificeerd.
“Traditioneel, XOR “Men geloofde dat het proces een netwerkoplossing vereiste.” De onderzoekers schreven.
Er zijn meer inspanningen nodig om te begrijpen hoe dCaAP-eiwitten zich gedragen over hele neuronen en in een levend systeem. Om nog maar te zwijgen van de vraag of deze eiwitten door de mens zijn gemaakt, of dat vergelijkbare mechanismen elders in het dierenrijk zijn geëvolueerd.
Technologie kijkt ook naar ons zenuwstelsel voor inspiratie over hoe we betere apparaten kunnen ontwikkelen; De wetenschap dat onze individuele cellen nog meer trucjes achter de hand hebben, kan leiden tot nieuwe manieren om transistors met elkaar te verbinden.
Hoe dit nieuwe redeneerinstrument, ingebed in een enkel neuron, zich vertaalt in hogere functies is een vraag die toekomstige onderzoekers zullen moeten beantwoorden.
Dit onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappen.
De originele versie van dit artikel is gepubliceerd in januari 2020.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”