Znanstvenici su otkrili jedinstveni oblik komunikacije unutar stanica koji se odvija u ljudskom mozgu, što nas dovodi do spoznaje o koliko toga još uvijek trebamo naučiti kada su u pitanju njegove zagonetne unutrašnje funkcije. Ovo revolucionarno otkriće sugerira da bi naši mozgovi mogli posjedovati još veće računalne sposobnosti nego što smo dosad pretpostavljali.
Novi ‘gradirani’ signal
Tijekom 2020. godine, skupina istraživača iz Njemačke i Grčke objavila je nalaze o mehanizmu prisutnom u vanjskim kortikalnim stanicama mozga koji samostalno proizvodi novi ‘gradirani’ signal. Ovaj fenomen mogao bi omogućiti pojedinačnim neuronima novi način izvršavanja njihovih logičkih funkcija. Analizirajući električnu aktivnost u dijelovima tkiva uklonjenih tijekom kirurških zahvata na pacijentima oboljelima od epilepsije, te istražujući njihovu strukturu pomoću fluorescentne mikroskopije, neurolozi su ustanovili da pojedinačne stanice u korteksu koriste ne samo uobičajene natrijeve ione za generiranje signala, već i kalcijeve ione.
Ova interakcija pozitivno nabijenih iona inicirala je valove električnog napona koji prethodno nisu bili zabilježeni, a koje su stručnjaci nazvali kalcijem posredovanim dendritičkim akcijskim potencijalima, ili skraćeno dCaAPs. Uobičajeno je uspoređivati ljudske mozgove s računalima. Iako takva usporedba ima svoja ograničenja, na određenim razinama oba sustava obavljaju zadatke na sličan način. Oba sistema koriste električni napon za provođenje različitih operacija. U računalima, to se manifestira kao relativno jednostavan protok elektrona kroz sklopove poznate kao tranzistori. Za razliku od toga, u neuronima se signal manifestira kao val otvaranja i zatvaranja kanala koji omogućuju razmjenu nabijenih čestica poput natrija, klora i kalija. Ovaj puls protoka iona poznat je kao akcijski potencijal.
Dendriti
Neuroni komuniciraju kroz složeni kemijski proces, usmjeravajući svoje poruke preko specijaliziranih struktura na svojim krajevima, poznatih kao dendriti. “Dendriti igraju ključnu ulogu u našem razumijevanju mozga jer su temelj računalne sposobnosti pojedinačnih neurona,” objasnio je Matthew Larkum, istaknuti neuroznanstvenik s Humboldtova sveučilišta, govoreći za Američku asocijaciju za napredak znanosti u siječnju 2020. godine.
Dendriti služe kao kontrolne točke našeg živčanog sustava, omogućavajući ili onemogućavajući prijenos signala. Ako akcijski potencijal doseže određenu snagu, on može biti proslijeđen duž živčanih puteva, što omogućava ili blokira daljnju komunikaciju. Ovaj mehanizam predstavlja osnovu logike mozga, omogućujući prijenos signala na dva fundamentalna načina: AND operacijom (signal se prenosi ako su oba uvjeta x i y ispunjena) ili OR operacijom (signal se prenosi ako je ispunjen barem jedan uvjet, x ili y). Složenost ovog sustava posebno je vidljiva u bogato strukturiranom, naboranom vanjskom sloju ljudskog mozga, poznatom kao cerebralni korteks. Dublje regije korteksa, osobito drugi i treći sloj, bogati su neuronima koji obavljaju napredne funkcije povezane s percepcijom, razmišljanjem i motoričkom kontrolom.
Za dubinsko proučavanje ovih regija, istraživači su koristili naprednu tehniku poznatu kao ‘somatodendritički patch clamp’ kako bi direktno stimulirali neurone, šaljući akcijske potencijale kroz njih i snimajući rezultirajuće signale. Ovaj pristup omogućio je precizno mapiranje električne aktivnosti unutar pojedinačnih neurona, pružajući novi uvid u temeljne procese koji omogućavaju složene funkcije našeg mozga.
Trenutak prosvjetljenja
“Bilo je to trenutak prosvjetljenja kada smo prvi put vidjeli dendritičke akcijske potencijale,” izjavio je Larkum. Kako bi potvrdili da njihova otkrića nisu ograničena samo na osobe s epilepsijom, istraživači su ponovili svoje eksperimente na uzorcima tkiva uzetim iz mozga pacijenata oboljelih od tumora. Iako su slična istraživanja provodili na štakorima, vrste signala zabilježene u ljudskim stanicama pokazale su se bitno različitima.
Još važnije, kada su stanice tretirane blokatorom natrijevih kanala poznatim kao tetrodotoksin, signal je i dalje bio prisutan. Tek blokiranjem kalcija, aktivnost je prestala. Otkriće akcijskog potencijala koji posreduje kalcij samo po sebi je fascinantno. Međutim, modeliranje kako ovaj novootkriveni tip signala funkcionira u korteksu otkrilo je dodatno iznenađenje. Pored logičkih funkcija AND i OR, otkriveno je da pojedinačni neuroni mogu funkcionirati kao ‘ekskluzivni’ OR (XOR) spojevi, koji dopuštaju prolaz signala samo kada je drugi signal gradiran na specifičan način.
“Tradicionalno se vjerovalo da XOR operacija zahtijeva rješenje unutar mreže,” naveli su istraživači. Potrebna su daljnja istraživanja kako bi se utvrdilo kako se dCaAPs ponašaju u cijelim neuronima i unutar živog organizma. Osim toga, postavlja se pitanje je li ovakav mehanizam specifičan za ljude ili su slični mehanizmi evoluirali i u drugim dijelovima životinjskog carstva. Tehnologija također teži inspiraciji iz našeg vlastitog živčanog sustava za razvoj naprednijeg hardvera. Spoznaja da naše pojedinačne stanice posjeduju dodatne sposobnosti mogla bi otvoriti nove puteve za umrežavanje tranzistora. Kako se ovaj novootkriveni logički alat ugrađen u pojedinačne živčane stanice pretvara u više složene funkcije, ostaje pitanje za buduće generacije istraživača.
