Вчені визначили унікальну форму передачі сигналів у людському мозку, що демонструє, наскільки багато ми ще маємо дізнатися про його загадкову роботу.
Це відкриття дає захопливий натяк на те, що наш мозок може бути навіть потужнішим обчислювальним пристроєм, ніж ми раніше уявляли.
У 2020 році дослідники з наукових інститутів Німеччини та Греції повідомили про механізм у зовнішніх клітинах кори мозку, який самостійно генерує новий «градуйований» сигнал. Цей механізм може надавати окремим нейронам додатковий спосіб виконання їх логічних функцій.
Вимірюючи електричну активність у зразках тканин, видалених під час операцій на пацієнтах із епілепсією, та аналізуючи їхню структуру за допомогою флуоресцентної мікроскопії, неврологи виявили, що окремі клітини кори використовували для активації не лише звичайні іони натрію, але й кальцій.
Це поєднання позитивно заряджених іонів викликало хвилі напруги, які раніше ніколи не спостерігалися. Ці хвилі назвали дендритними потенціалами дії, опосередкованими кальцієм (dCaAPs).
Мозок, особливо людський, часто порівнюють із комп’ютером. Хоча це порівняння має свої межі, деякі завдання виконуються в подібний спосіб.
І мозок, і комп’ютери використовують електричну напругу для виконання різноманітних операцій. У комп’ютерах це потік електронів через транзистори.
У нейронах сигнал подається у вигляді хвиль відкриття та закриття каналів, що обмінюються зарядженими частинками, такими як натрій, хлор і калій. Цей імпульс іонів називається потенціалом дії.
Замість транзисторів нейрони керують цими повідомленнями хімічно через кінцеві розгалуження, звані дендритами.
«Дендрити є ключем до розуміння роботи мозку, оскільки саме вони визначають обчислювальну потужність окремих нейронів», – пояснив нейробіолог Метью Ларкум із Гумбольдтського університету у 2020 році.
Дендрити діють як світлофори нервової системи. Якщо потенціал дії достатньо значний, він передається іншим нервам, які можуть блокувати або пропускати це повідомлення.
Це основа логіки роботи мозку – хвилі напруги, які можуть передаватися у двох формах: у вигляді повідомлення «І» (якщо активуються x і y, повідомлення передається) або «АБО» (якщо активуються x або y, повідомлення передається).
Ця система найбільш складна у зовнішній шаруватій частині мозку – корі. Особливо товстими є другий і третій шари, наповнені розгалуженнями, що виконують функції, пов’язані із сенсорикою, мисленням і рухами.
Дослідники детально вивчали тканини саме цих шарів, під’єднуючи клітини до пристрою під назвою соматодендритний патч-клемп, щоб відправляти активні потенціали вздовж нейронів і записувати їхні сигнали.
«Це був момент справжнього відкриття, коли ми вперше побачили дендритні потенціали дії», – сказав Ларкум.
Щоб переконатися, що їхні результати не були характерними лише для людей з епілепсією, вчені повторили експерименти на зразках тканин, отриманих від пацієнтів із пухлинами мозку.
Попри те, що команда виконувала схожі дослідження на щурах, сигнали, які спостерігали в людських клітинах, були дуже відмінними.
Більше того, коли клітини обробляли блокатором натрієвих каналів під назвою тетродотоксин, сигнали продовжували з’являтися. Лише блокування кальцію повністю зупиняло активність.
Виявлення потенціалів дії, опосередкованих кальцієм, саме по собі є цікавим. Але моделювання роботи цього чутливого сигналу в корі показало сюрприз.
Окрім логічних функцій «І» та «АБО», окремі нейрони могли діяти як «виключне АБО» (XOR), яке передає сигнал лише за певної градації іншого сигналу.
«Традиційно вважалося, що операція XOR вимагає роботи всієї мережі», – зазначили дослідники.
Необхідно провести подальші дослідження, щоб зрозуміти, як dCaAPs діють у всьому нейроні та в живій системі. Також слід з’ясувати, чи це явище характерне лише для людини, чи подібні механізми виникли в інших видів.
Технології також надихаються нервовою системою для створення кращих апаратних засобів; знання про унікальні властивості клітин мозку можуть допомогти створити нові способи з’єднання транзисторів.
Те, як ця нова логічна функція окремої нервової клітини впливає на вищі функції мозку, залишається відкритим питанням для майбутніх дослідників.
Це дослідження було опубліковане в журналі Science.