Μια νέα μελέτη δείχνει ότι οι ανθρώπινοι νευρώνες μπορεί να έχουν περισσότερη υπολογιστική ισχύ από ό, τι κάποτε πιστεύαμε.
Τα κύτταρα που βρίσκονται στις εξώτατες στρώσεις του ανθρώπινου εγκεφάλου δημιουργούν ένα ειδικό είδος ηλεκτρικού σήματος που μπορεί να τους δώσει επιπλέον ώθηση στην υπολογιστική ισχύ, σύμφωνα με νέα έρευνες. Επιπλέον, αυτό το μήνυμα μπορεί να είναι μοναδικό για τον άνθρωπο – και μπορεί να εξηγήσει τη μοναδική μας νοημοσύνη, σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης.
Τα κύτταρα του εγκεφάλου ή οι νευρώνες συνδέονται μέσω μακριών καλωδίων διακλάδωσης και μηνυμάτων μεταφοράς κατά μήκος αυτών των καλωδίων για να επικοινωνούν μεταξύ τους. Κάθε νευρώνας έχει εξερχόμενο σύρμα, που ονομάζεται άξονας, και σύρμα που λαμβάνει εισερχόμενα μηνύματα, γνωστά ως δενδρίτες. Ο δενδρίτης περνάει πληροφορίες στον υπόλοιπο νευρώνα μέσω εκρήξεων ηλεκτρικής δραστηριότητας. Ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο συνδέεται ο εγκέφαλος, κάθε δενδρίτης μπορεί να δέχεται εκατοντάδες χιλιάδες σήματα από άλλους νευρώνες κατά μήκος του. Ενώ οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτές οι ηλεκτρικές αιχμές συμβάλλουν στον εντοπισμό του εγκεφάλου και μπορεί να βασίζονται σε ικανότητες όπως μάθηση και μνήμη, ο ακριβής ρόλος των δενδριτών στην ανθρώπινη γνώση παραμένει μυστήριο.
Τώρα, οι ερευνητές έχουν αποκαλύψει μια νέα γεύση ηλεκτρικής ακίδας στους ανθρώπινους δενδρίτες – μία που πιστεύουν ότι θα επιτρέψουν στα κύτταρα να εκτελούν υπολογισμούς αφού θεωρούσαν ότι ήταν πολύ περίπλοκο για έναν μόνο νευρώνα για να αντιμετωπίσει μόνη της. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στις 3 Ιανουαρίου στο περιοδικό Science , επισημαίνει ότι η νεωτερισμένη ηλεκτρική ιδιότητα δεν έχει ποτέ παρατηρηθεί σε άλλο ζωικό ιστό εκτός από τον άνθρωπο, θέτοντας το ερώτημα εάν το σήμα συμβάλλει μοναδικά στην ανθρώπινη νοημοσύνη ή σε αυτή των πρωτευόντων, εξελικτικά ξαδέλφια.
Ένα παράξενο σήμα
Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες μελέτες δενδριτών έχουν διεξαχθεί σε ιστό τρωκτικών, ο οποίος μοιράζεται βασικές ιδιότητες με ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα, δήλωσε ο Matthew Larkum, καθηγητής στο τμήμα βιολογίας του Πανεπιστημίου Humboldt στο Βερολίνο. Ωστόσο, οι ανθρώπινοι νευρώνες μετρούν περίπου δύο φορές όσο αυτοί που βρίσκονται σε ένα ποντίκι, είπε.
“Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρικά σήματα πρέπει να ταξιδεύουν δύο φορές πιο μακριά”, δήλωσε ο Larkum στο Live Science. “Αν δεν υπήρχε καμία αλλαγή στις ηλεκτρικές ιδιότητες [μεταξύ των τρωκτικών και των ανθρώπων], τότε αυτό θα σήμαινε ότι, στους ανθρώπους, οι ίδιες συναπτικές εισροές θα ήταν αρκετά λιγότερο ισχυρές”. Με άλλα λόγια, οι ηλεκτρικές αιχμές που λαμβάνονται από έναν δενδρίτη θα αποδυναμώνονταν σημαντικά από τη στιγμή που έφθασαν στο κυτταρικό σώμα του νευρώνα.
Έτσι ο Larkum και οι συνάδελφοί του ξεκίνησαν να αποκαλύπτουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες των ανθρώπινων νευρώνων για να δουν πώς αυτοί οι μακρύτεροι δενδρίτες καταφέρνουν πραγματικά να στέλνουν σήματα αποτελεσματικά.
Αυτό δεν ήταν εύκολο έργο.
Πρώτον, οι ερευνητές έπρεπε να πάρουν τα χέρια τους σε δείγματα ανθρώπινου εγκεφαλικού ιστού, έναν άκρως σπάνιο πόρο. Η ομάδα κατέληξε στη χρήση νευρώνων που είχαν τεμαχιστεί από τους εγκεφάλους της επιληψίας και των ασθενών με όγκους ως μέρος της ιατρικής τους περίθαλψης. Η ομάδα επικεντρώθηκε σε νευρώνες που έχουν απομακρυνθεί από τον εγκεφαλικό φλοιό, το τσαλακωμένο εξωτερικό του εγκεφάλου που περιέχει αρκετά διαφορετικά στρώματα. Στους ανθρώπους, αυτά τα στρώματα έχουν πυκνά δίκτυα δενδριτών και γίνονται εξαιρετικά παχύρρευστα, ένα χαρακτηριστικό που μπορεί να είναι «θεμελιώδες σε αυτό που μας κάνει ανθρώπους», σύμφωνα με μια δήλωση της Επιστήμης.
“Λάβετε τον ιστό πολύ σπάνια, γι ‘αυτό πρέπει να εργαστείτε με αυτό που είναι μπροστά σας”, είπε ο Larkum. Και πρέπει να εργάζεστε γρήγορα, πρόσθεσε. Εκτός του ανθρώπινου σώματος, τα εγκεφαλικά κύτταρα που στερούνται οξυγόνου παραμένουν βιώσιμα μόνο για δύο ημέρες. Για να επωφεληθεί πλήρως από αυτό το περιορισμένο χρονικό παράθυρο, ο Larkum και η ομάδα του θα συγκεντρώσουν μετρήσεις από ένα δεδομένο δείγμα για όσο χρονικό διάστημα μπορούσαν, μερικές φορές να εργάζονται για 24 ώρες κατ ‘ευθείαν.
Κατά τη διάρκεια αυτών των πειραματικών μαραθώνιων, η ομάδα κόβει τον ιστό του εγκεφάλου σε φέτες και τρυπώνει τρύπες στους δενδρίτες που περιέχονται μέσα. Με την προσκόλληση λεπτών πιπετών από γυαλί μέσα από αυτές τις οπές, οι ερευνητές θα μπορούσαν να εισάγουν ιόντα ή φορτισμένα σωματίδια στους δενδρίτες και να παρατηρούν πώς άλλαξαν στην ηλεκτρική δραστηριότητα. Όπως αναμενόταν, οι διεγερμένοι δενδρίτες δημιούργησαν αιχμές ηλεκτρικής δραστηριότητας, αλλά αυτά τα σήματα φαίνονταν πολύ διαφορετικά από τα προηγούμενα.
Κάθε ακίδα ανάφλεξε για ένα μικρό χρονικό διάστημα – περίπου ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Στον ιστό τρωκτικών, αυτός ο τύπος υπερβολικής ακίδας εμφανίζεται όταν μια πλημμύρα νατρίου εισέρχεται σε ένα δενδρίτη, που προκαλείται από μια συγκεκριμένη συσσώρευση ηλεκτρικής δραστηριότητας. Το ασβέστιο μπορεί επίσης να προκαλέσει αιχμές στους δενδριτικούς τρωκτικών, αλλά αυτά τα σήματα τείνουν να διαρκούν 50 έως 100 φορές περισσότερο από τα αιχμές του νατρίου, δήλωσε ο Larkum. Αυτό που είδε όμως η ομάδα στον ανθρώπινο ιστό, φαινόταν να είναι ένα παράξενο υβρίδιο των δύο.
“Αν και έμοιαζε με ένα γεγονός νατρίου, ήταν πραγματικά ένα γεγονός ασβεστίου “, δήλωσε ο Larkum. Τα μέλη της ομάδας εξέτασαν τι θα συνέβαινε εάν εμπόδισαν το νατρίου να εισέλθει στο δείγμα των δενδριτών και διαπίστωσε ότι οι αιχμές συνέχισαν να πυροβολούν αμείωτα. Επιπλέον, τα αιχμηρά καρφιά πυροδότησαν με γρήγορη διαδοχή, το ένα αμέσως μετά το άλλο. Αλλά όταν οι ερευνητές μπλοκάρουν το ασβέστιο να εισέλθει στους νευρώνες, οι αιχμές σταμάτησαν. Οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι είχαν περάσει από μια ολοκαίνουργια κατηγορία ακιδίων, μία παρόμοια σε διάρκεια με το νάτριο αλλά ελεγχόμενη από το ασβέστιο.
“Αυτές οι αιχμές είναι διαφορετικές από ό, τι γνωρίζουμε μέχρι στιγμής από άλλα θηλαστικά”, δήλωσε ο Mayank Mehta, καθηγητής στα τμήματα νευρολογίας, φυσικής και αστρονομίας του νευροβιολόγου στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Λος Άντζελες, ο οποίος δεν συμμετείχε μελέτη. Το μεγάλο ερώτημα είναι, πώς αυτές οι αιχμές σχετίζονται με την πραγματική λειτουργία του εγκεφάλου, είπε.
Υπολογιστικές εξουσίες
Ο Larkum και οι συνάδελφοί του δεν μπόρεσαν να ελέγξουν πώς μπορεί να συμπεριφερθούν τα δείγματα σε φέτες σε έναν άθικτο ανθρώπινο εγκέφαλο, έτσι ώστε να κατασκευάσουν ένα μοντέλο υπολογιστή με βάση τα αποτελέσματά τους. Στον εγκέφαλο, οι δενδρίτες λαμβάνουν σήματα κατά μήκος τους από κοντινούς νευρώνες που μπορούν είτε να τους ωθήσουν για να δημιουργήσουν μια ακίδα είτε να τους αποτρέψουν από αυτό. Ομοίως, η ομάδα σχεδίασε ψηφιακούς δενδρίτες που μπορούν να διεγερθούν ή να ανασταλούν από χιλιάδες διαφορετικά σημεία κατά μήκος τους. Ιστορικά, μελέτες υποδηλώνουν ότι οι δενδρίτες συντάσσουν αυτά τα αντίθετα σήματα με την πάροδο του χρόνου και πυροδοτούν μια ακίδα όταν ο αριθμός των διεγερτικών σημάτων υπερτερεί των ανασταλτικών.
Αλλά οι ψηφιακοί δενδρίτες δεν συμπεριφέρθηκαν καθόλου με αυτόν τον τρόπο.
“Όταν εξετάσαμε προσεκτικά, θα μπορούσαμε να δούμε ότι υπήρχε αυτό το παράξενο φαινόμενο”, δήλωσε ο Λάρκουμ. Όσο περισσότερο διεγερτικά σήματα έλαβε ένας δενδρίτης, τόσο λιγότερο πιθανό ήταν να δημιουργήσει μια ακίδα. Αντίθετα, κάθε περιοχή σε έναν δεδομένο δενδρίτη φάνηκε “συντονισμένη” για να ανταποκριθεί σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο διέγερσης – όχι περισσότερο, ούτε λιγότερο.
Αλλά τι σημαίνει αυτό από την άποψη της πραγματικής λειτουργίας του εγκεφάλου; Αυτό σημαίνει ότι οι δενδριτές μπορεί να επεξεργάζονται πληροφορίες σε κάθε σημείο κατά μήκος τους, να εργάζονται ως ενοποιημένο δίκτυο για να αποφασίσουν ποιες πληροφορίες πρέπει να στείλουν μαζί, ποιες να απορρίψουν και να χειριστούν μόνοι τους, είπε ο Larkum.
“Δεν φαίνεται ότι το κελί προσθέτει απλώς τα πράγματα – επίσης, ρίχνει τα πράγματα μακριά”, είπε ο Mehta Live Science. (Στην περίπτωση αυτή, τα σήματα “throw away” θα είναι σήματα διέγερσης που δεν είναι σωστά συντονισμένα με το “γλυκό σημείο” της δενδριτικής περιοχής.) Αυτή η υπολογιστική υπερδύναμη θα μπορούσε να επιτρέψει στους δενδρίτες να αναλάβουν λειτουργίες όταν πιστεύεται ότι είναι έργο ολόκληρων νευρωνικών δικτύων . για παράδειγμα, ο Μέχτα θεωρεί ότι μεμονωμένοι δενδρίτες θα μπορούσαν ακόμη και να κωδικοποιήσουν μνήμες .
Κάποτε, οι νευροεπιστήμονες πίστευαν ότι ολόκληρα δίκτυα νευρώνων συνεργάστηκαν για να εκτελέσουν αυτούς τους πολύπλοκους υπολογισμούς και αποφάσισαν να απαντήσουν ως ομάδα. Τώρα, φαίνεται ότι ένα μεμονωμένο δενδρίτης κάνει αυτό τον ακριβή τύπο υπολογισμού από μόνο του.
Ίσως μόνο ο ανθρώπινος εγκέφαλος να διαθέτει αυτήν την εντυπωσιακή υπολογιστική ισχύ, αλλά ο Larkum είπε ότι είναι πολύ νωρίς για να πούμε με βεβαιότητα. Ο ίδιος και οι συνάδελφοί του θέλουν να αναζητήσουν αυτή τη μυστηριώδη ασπιρίνη στα τρωκτικά, σε περίπτωση που έχει παραβλεφθεί σε προηγούμενες έρευνες. Ελπίζει επίσης να συνεργαστεί σε παρόμοιες μελέτες σε πρωτεύοντα για να δει αν οι ηλεκτρικές ιδιότητες των ανθρώπινων δενδριτών είναι παρόμοιες με αυτές των εξελικτικών συγγενών μας.
Είναι πολύ απίθανο ότι αυτές οι αιχμές κάνουν τους ανθρώπους ειδικούς ή πιο έξυπνους από άλλα θηλαστικά, είπε ο Μέχτα. Ίσως η νέα ηλεκτρική ιδιότητα να είναι μοναδική για τους νευρώνες L2 / 3 στον ανθρώπινο εγκεφαλικό φλοιό, καθώς ο εγκέφαλος των τρωκτικών παράγει επίσης ειδικές ακίδες σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου, πρόσθεσε.
Σε προηγούμενη έρευνα , ο Mehta διαπίστωσε ότι οι δενδρίτες των τρωκτικών παράγουν επίσης μια μεγάλη ποικιλία ακίδων των οποίων η ακριβής λειτουργία παραμένει άγνωστη. Αυτό που είναι ενδιαφέρον είναι ότι μόνο ένα κλάσμα αυτών των ακίδων προκαλεί μια αντίδραση στο σώμα των κυττάρων που συνδέουν, είπε. Στους νευρώνες των τρωκτικών, περίπου 90 τοις εκατό των δενδριτικών αιχμηρών δεν προκαλούν ηλεκτρικά σήματα από το κυτταρικό σώμα, υποδηλώνοντας ότι οι δενδρίτες στα τρωκτικά και στους ανθρώπους μπορεί να επεξεργάζονται πληροφορίες ανεξάρτητα, με τρόπους που δεν καταλαβαίνουμε ακόμη.
Μεγάλο μέρος της κατανόησης της μάθησης και της μνήμης προέρχεται από την έρευνα σχετικά με την ηλεκτρική δραστηριότητα που παράγεται στο σώμα των κυττάρων νευρώνων και το καλώδιο εξόδου του, τον αξόνιο. Αλλά αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι “μπορεί να είναι ότι η πλειοψηφία των αιχμηρών στον εγκέφαλο μπορεί να λαμβάνει χώρα στους δενδρίτες”, δήλωσε ο Mehta. «Αυτές οι αιχμές θα μπορούσαν να αλλάξουν τους κανόνες της μάθησης».
Σημείωση του συντάκτη: Αυτή η ιστορία ενημερώθηκε στις 9 Ιανουαρίου για να αποσαφηνίσει μια δήλωση του Dr. Mayank Mehta σχετικά με το εάν το νεωτερισμένο ηλεκτρικό σήμα μπορεί να είναι μοναδικό για τον άνθρωπο.
Αρχικά δημοσιεύθηκε στη Live Science .