Er is een type signaal ontdekt dat nog nooit eerder is gezien in het menselijk brein

Wetenschappers hebben een unieke vorm van cellulaire berichtgeving ontdekt die in het menselijk brein voorkomt en die nog nooit eerder is gezien. Interessant is dat deze bevinding erop wijst dat onze hersenen mogelijk krachtigere rekeneenheden zijn dan we ons realiseerden.

Begin vorig jaar rapporteerden onderzoekers van instituten in Duitsland en Griekenland een mechanisme in de buitenste corticale cellen van de hersenen dat op zichzelf een nieuw ‘gradiënt’-signaal produceert, een dat individuele neuronen zou kunnen uitrusten met een andere manier om hun logische functies uit te voeren.

Door de elektrische activiteit te meten in secties van weefsel die tijdens operaties bij epilepsiepatiënten zijn verwijderd en hun structuur te analyseren met behulp van fluorescentiemicroscopie, hebben neurologen ontdekt dat individuele cellen in de hersenschors niet alleen de gebruikelijke natriumionen gebruiken om te “schieten”, maar ook calcium.

Deze combinatie van positief geladen ionen bracht spanningsgolven vrij die nog nooit eerder waren gezien, calcium-gemedieerde dendritische actiepotentialen of dCaAP’s genoemd.

Hersenen – vooral die van de menselijke soort – worden vaak vergeleken met computers. Deze analogie heeft zijn beperkingen, maar op sommige niveaus voeren ze taken op vergelijkbare manieren uit.

Ze gebruiken allebei de kracht van elektrisch potentieel om verschillende bewerkingen uit te voeren. In computers is dit in de vorm van een vrij eenvoudige stroom van elektronen door knooppunten die transistors worden genoemd.

In neuronen heeft het signaal de vorm van een golf van openende en sluitende kanalen die geladen deeltjes zoals natrium, chloride en kalium uitwisselen. Deze puls van stromende ionen heet Werkpotentieel.

In plaats van transistoren geleiden neuronen deze berichten chemisch aan het einde van vertakkingen die dendrieten worden genoemd.

Dendrieten zijn fundamenteel voor het begrijpen van de hersenen, omdat ze de kern vormen van wat de rekenkracht van afzonderlijke neuronen bepaalt. Matthew Larcom vertelde Walter Beckwith bij de American Association for the Advancement of Science in januari 2020.

Dendrieten zijn de verkeerslichten van ons zenuwstelsel. Als het actiepotentiaal groot genoeg is, kan het worden doorgegeven aan andere zenuwen, die de boodschap kunnen blokkeren of verzenden.

Dit zijn de grondgedachten voor onze hersenen – spanningsrimpels die collectief in twee vormen kunnen worden gecommuniceerd: ofwel En de bericht (indien x En de y is ingeschakeld, het bericht is doorgegeven); of een of bericht (indien x of y wordt geactiveerd, wordt het bericht doorgegeven).

Nergens kan het ingewikkelder worden gezegd dan het dichte, gerimpelde buitenste deel van het menselijke centrale zenuwstelsel; hersenschors. De tweede en derde diepe laag zijn bijzonder dik, vol met takken die functies op hoog niveau uitvoeren die we associëren met sensatie, denken en motorische controle.

De onderzoekers hebben de weefsels van deze lagen nader bekeken en cellen bevestigd aan een apparaat dat een somatische neuronale patch-synaps wordt genoemd om energetische potentialen op en neer elk neuron te sturen en hun signalen op te nemen.

“Er was een ‘eureka’-moment toen we voor het eerst het potentieel van dendritische actie zagen,” Larcom zei:.

Om er zeker van te zijn dat eventuele bevindingen niet uniek waren voor mensen met epilepsie, beoordeelden ze hun bevindingen in een paar monsters van hersentumoren.

Terwijl het team soortgelijke experimenten uitvoerde op muizen, waren de soorten signalen die ze door menselijke cellen zagen reizen heel verschillend.

Belangrijk is dat toen ze de cellen doseerden met een natriumkanaalblokker genaamd tetrodotoxine, ze nog steeds een signaal vonden. Gewoon door calcium te blokkeren, kalmeerde iedereen.

Het vinden van een actiepotentiaal gemedieerd door calcium is interessant genoeg. Maar het modelleren van de manier waarop dit gevoelige nieuwe type signaal in de cortex werkt, onthulde een verrassing.

Naast logica En de En de ofDoor het type functies kunnen deze individuele neuronen functioneren ‘exclusief’ of (XOR) kruispunten, die alleen een signaal toestaat wanneer een ander signaal op een bepaalde manier is gecategoriseerd.

“Traditioneel, XOR Er wordt aangenomen dat het proces een netwerkoplossing vereist,” Onderzoekers schreven.

Er moet meer worden gedaan om erachter te komen hoe dCaAP’s zich gedragen over hele neuronen en in een levend systeem. Om nog maar te zwijgen van of het iets menselijks was, of dat soortgelijke mechanismen zich elders in het dierenrijk hadden ontwikkeld.

Technologie kijkt ook naar ons zenuwstelsel voor inspiratie over hoe we betere apparaten kunnen ontwikkelen; Wetende dat onze individuele cellen nog een paar andere trucjes in petto hebben, zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om transistors te netwerken.

Hoe dit nieuwe logische hulpmiddel zich in een enkel neuron vertaalt naar hogere functies, is een vraag voor toekomstige onderzoekers om te beantwoorden.

Dit onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap.

Een versie van dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in januari 2020.