Naučnici su nedavno identifikovali jedinstveni oblik ćelijske poruke koji se javlja u ljudskom mozgu, a koji ranije nije viđen.
Uzbudljivo, ovo otkriće nagoveštava da bi naši mozgovi mogli biti još moćnije jedinice za računanje nego što smo mislili.
Još 2020. godine, istraživači iz instituta u Njemačkoj i Grčkoj izvijestili su o mehanizmu u vanjskim kortikalnim stanicama mozga koji sam proizvodi novi ‘gradirani‘ signal, koji bi pojedinačnim neuronima mogao pružiti još jedan način da izvršavaju svoje logičke funkcije.
Mjereći električnu aktivnost u dijelovima tkiva koji su uklonjeni tokom operacije kod pacijenata s epilepsijom i analizirajući njihovu strukturu pomoću fluorescentne mikroskopije, neurolozi su otkrili da pojedinačne ćelije u korteksu koriste ne samo uobičajene jone natrijuma za “paljenje”, već i kalcij.
Ova kombinacija pozitivno nabijenih jona pokrenula je valove napona koji nikada prije nisu viđeni, koji se nazivaju kalcijumom posredovani dendritski akcijski potencijali ili dCaAP.
Mozak kao kompjuter
Mozak – posebno one ljudske vrste – često se poredi sa kompjuterima. Analogija ima svoja ograničenja, ali na nekim nivoima obavljaju zadatke na sličan način.
Oba koriste snagu električnog napona za obavljanje različitih operacija. U kompjuterima je to u obliku prilično jednostavnog protoka elektrona kroz raskrsnice koje se nazivaju tranzistori.
U neuronima, signal je u obliku vala otvaranja i zatvaranja kanala koji razmjenjuju nabijene čestice kao što su natrijum, hlorid i kalijum. Ovaj puls tekućih jona naziva se akcioni potencijal.
Umjesto tranzistora, neuroni upravljaju ovim porukama kemijski na krajevima grana zvanih dendriti.
“Dendriti su centralni za razumijevanje mozga jer su u središtu onoga što određuje računsku snagu pojedinačnih neurona”, rekao je neuronaučnik sa Univerziteta Humboldt Matthew Larkum Walteru Beckwithu u Američkom udruženju za unapređenje nauke u januaru 2020.
Dendriti su semafori našeg nervnog sistema. Ako je akcioni potencijal dovoljno značajan, može se prenijeti na druge živce, koji mogu blokirati ili prenijeti poruku.
Ovo je logična osnova našeg mozga – talasi napona koji se mogu prenijeti zajedno u dva oblika: ili poruka I (ako se aktiviraju x i y, poruka se prenosi dalje); ili poruku ILI (ako se aktivira x ili y, poruka se prosljeđuje dalje).
Trenutak eureke
Vjerovatno, nigdje ovo nije složenije nego u gustom, naboranom vanjskom dijelu ljudskog centralnog nervnog sistema; cerebralni korteks. Dublji drugi i treći sloj su posebno debeli, prepuni grana koje obavljaju funkcije visokog reda koje povezujemo sa senzacijom, mišlju i motoričkom kontrolom.
Istraživači su pomno pogledali tkiva iz ovih slojeva, spajajući ćelije na uređaj koji se zove somatodendritična klema za slanje aktivnih potencijala gore-dolje po svakom neuronu, bilježeći njihove signale.
“Postojao je trenutak ‘eureke‘ kada smo prvi put vidjeli dendritske akcione potencijale”, rekao je Larkum.
Kako bi osigurali da bilo kakva otkrića nisu jedinstvena za osobe s epilepsijom, dvaput su provjerili svoje rezultate u nekoliko uzoraka uzetih iz tumora na mozgu.
Iako je tim izveo slične eksperimente na štakorima, vrste signala koje su primijetili kako zuje kroz ljudske ćelije bile su vrlo različite.
Što je još važnije, kada su ćelijama dozirali blokator natrijumovih kanala zvan tetrodotoksin, ipak su pronašli signal. Samo blokiranjem kalcijuma svi su utihnuli.
Pronalaženje akcionog potencijala posredovanog kalcijumom je dovoljno zanimljivo. Ali modeliranje načina na koji ova osjetljiva nova vrsta signala radi u korteksu otkrilo je iznenađenje.
Pored logičkih funkcija tipa I i OR, ovi pojedinačni neuroni mogu djelovati kao ‘ekskluzivne‘ OR (XOR) raskrsnice, koje dozvoljavaju signal samo kada je drugi signal ocijenjen na određeni način.
“Tradicionalno se smatralo da operacija XOR zahtijeva mrežno rješenje”, napisali su istraživači.
Bolji hardver
Potrebno je uraditi još posla da se vidi kako se dCaAP ponašaju u čitavim neuronima iu živom sistemu. Da ne spominjemo je li to ljudska stvar, ili su slični mehanizmi evoluirali negdje drugdje u životinjskom carstvu.
Tehnologija takođe traži inspiraciju od našeg sopstvenog nervnog sistema kako da razvijemo bolji hardver; saznanje da naše pojedinačne ćelije imaju još nekoliko trikova u rukavu moglo bi dovesti do novih načina umrežavanja tranzistora.
Kako se tačno ovaj novi logički alat stisnut u jednu živčanu ćeliju pretvara u više funkcije, pitanje je na koje će budući istraživači odgovoriti.
Ovo istraživanje je objavljeno u časopisu Science.
