Ученые обнаружили уникальную форму обмена сообщениями между клетками в человеческом мозге. Это открытие позволяет предположить, что вычислительные возможности человека гораздо более мощные, чем считалось ранее.
В 2020 году исследователи из институтов Германии и Греции сообщили о механизме, который действует во внешних клетках коры головного мозга и самостоятельно вырабатывает новый «градуированный» сигнал. Это дает отдельным нейронам еще один способ выполнять логические функции.
Исследователи измерили электрическую активность в участках ткани, удаленных во время операции у больных эпилепсией. Проанализировав их структуру с помощью флуоресцентной микроскопии, неврологи обнаружили, что отдельные клетки коры головного мозга используют для «выстрела» не только обычные ионы натрия, но и кальций.
Эта комбинация положительно заряженных ионов запускает волны напряжения — кальций-опосредованные дендритные потенциалы действия, или dCaAPs, которые ранее не были известны.
Мозг, особенно человеческий, часто сравнивают с компьютером. Аналогия имеет свои пределы, но на некоторых уровнях они выполняют задачи похожим образом. Оба «механизма» используют электрическое напряжение для выполнения различных операций. В компьютерах это происходит в виде довольно простого потока электронов через перекрестки — транзисторы.
В нейронах мозга сигнал подается в виде волны открывающихся и закрывающихся каналов, которые обмениваются заряженными частицами, такими как натрий, хлорид и калий. Этот импульс перетекающих ионов называется потенциалом действия. Вместо транзисторов нейроны на химическом уровне управляют этими сообщениями на концах отростков — дендритов.
«Дендриты занимают центральное место в понимании работы мозга, потому что именно они определяют вычислительную мощность отдельных нейронов», — рассказал нейробиолог Мэтью Ларкум. Это «светофоры» человеческой нервной системы. Если потенциал действия достаточно значителен, он может быть передан другим нервам, которые могут заблокировать или передать сообщение.
По словам исследователей, логическая основа мозга — это колебания напряжения, которые могут передаваться коллективно в двух формах: по принципу И (если срабатывают x и y, то сообщение передается) либо по принципу ИЛИ (если срабатывают x или y, то сообщение передается).
Глубокие второй и третий слои коры головного мозга особенно толстые. В них сосредоточены разветвления, отвечающие за ощущения, мышление и двигательный контроль. Исследователи изучили их, подключив клетки к устройству под названием соматодендритный патч-клемма, чтобы посылать активные потенциалы вверх и вниз по каждому нейрону, записывая их сигналы.
«Когда мы впервые увидели дендритные потенциалы действия, это был момент эврики», — говорит Ларкум. Чтобы убедиться, что открытия характерны не только для людей с эпилепсией, исследователи перепроверили свои результаты на нескольких образцах, взятых из опухолей мозга.
Хотя команда проводила аналогичные эксперименты на крысах, сигналы, которые они наблюдали в человеческих клетках, были совсем другие. Более того, когда они ввели в клетки тетродотоксин, блокатор натриевых каналов, сигнал снова обнаружили. И только при блокировании кальция он стих.
Исследователи отмечают, что обнаружить потенциал действия, опосредованный кальцием, само по себе достаточно интересно. Но моделирование того, как этот чувствительный новый вид сигнала работает в коре головного мозга, и вовсе преподнесло ученым сюрприз.
В дополнение к логическим функциям типа И и ИЛИ эти отдельные нейроны могут действовать как «эксклюзивные» перекрестки ИЛИ (XOR), которые пропускают сигнал только в том случае, если другой сигнал имеет определенную градацию. До этих пор считалось, что подобная операция требует сетевого решения.
Необходимы дополнительные исследования, чтобы выяснить, как dCaAP проявляют себя во всех нейронах и в живой системе в целом. Ученым также предстоит понять, является ли это особенностью человека или же подобные механизмы эволюционировали и в других частях животного мира.
Нервная система человека также служит прототипом для многих технологий. Новое открытие может послужить вдохновением для разработки более совершенного оборудования — знание, что у отдельных клеток есть еще несколько секретов, может привести к новым способам создания транзисторов в сети.
Как именно этот новый логический инструмент, заключенный в одной нервной клетке, воплощается в более высоких функциях — вопрос, на который предстоит ответить будущим исследователям.
Ранее ученые выяснили, что воспоминания формирует не только мозг, но и другие клетки организма. Это открытие может сыграть важную роль в лечении проблем с памятью.