Ученые обнаружили уникальную форму обмена сообщениями между клетками

Ученые обнаружили уникальную форму обмена сообщениями между клетками в человеческом мозге, которая ранее не встречалась. Захватывающее открытие намекает на то, что наш мозг может быть еще более мощной вычислительной машиной, чем мы думали.

В начале прошлого года исследователи из институтов Германии и Греции сообщили о механизме в клетках внешней коры головного мозга, который самостоятельно производит новый "градуированный" сигнал, который предоставляет отдельным нейронам альтернативный способ выполнения логических функций.

Измерив электрическую активность в участках ткани, удаленных во время операции у больных эпилепсией, и 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 кальция.

Эта комбинация положительно заряженных ионов вызывает невиданные ранее волны напряжения, называемые кальций-опосредованными дендритными потенциалами действия, или dCaAPs.

Мозг - особенно человеческий - часто сравнивают с компьютером. Эта аналогия имеет свои границы, но на некоторых уровнях это сравнение вполне уместно.

И мозг, и компьютер используют силу электрического напряжения для выполнения различных операций. В компьютерах это довольно простой поток электронов через транзисторы.

В нейронах 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 используют химические свойства дендритов.

"Дендриты занимают центральное место в понимании мозга, потому что они лежат в основе вычислительной мощности отдельных нейронов", - говорит Волтеру Беквиту, нейробиолог из Университета Гумбольдта.

Дендриты - это светофоры нашей нервной системы. Если потенциал действия достаточно значителен, он передается другим нервам, которые могут заблокировать или передать сообщение дальше.

Логическая основа нашего мозга - пульсации напряжения; они передаются в двух формах: либо сообщение И (если срабатывают x и y), либо сообщение ИЛИ (если срабатывает x или y).

Пожалуй, кора головного мозга остается одновременно самой изученной, и неизведанной частью человеческого мозга. Глубокие второй и третий слои особенно толсты, они заполнены отростками, выполняющими функции высокого порядка, и связаны с ощущениями, мышлением и двигательным контролем.

Ученые как раз изучали ткани из этих слоев, подключив клетки к устройству под названием соматодендритный патч-клемм, чтобы посылать активные потенциалы вверх и вниз по каждому нейрону, записывая полученные сигналы.

«Был момент "эврики", когда мы впервые увидели дендритные потенциалы действия», - утверждает исследователь Ларкум.

Чтобы убедиться, что все открытия не были уникальными для людей с эпилепсией, они перепроверили свои результаты на нескольких образцах, взятых из опухолей мозга.

Хотя команда проводила аналогичные эксперименты на крысах, сигналы, которые они наблюдали в клетках человека, были совершенно другими.

Более того, когда исследователи ввели в клетки блокатор натриевых каналов, они все равно обнаружили сигнал.

Открытие потенциала действия, опосредованного кальцием, достаточно интересно. Но моделирование его работы в коре головного мозга преподнесло сюрприз.

В дополнение к логическим функциям типа И и ИЛИ, эти отдельные нейроны действуют как "эксклюзивные" перекрестки ИЛИ (XOR), которые пропускают сигнал только тогда, когда другой сигнал имеет определенную градацию.

«Традиционно считается, что операция XOR требует сетевого решения», - пишут исследователи.

Необходимо провести дополнительную работу, чтобы выяснить, как dCaAPs ведут себя в целых нейронах и в живой системе. Не говоря уже о том, является ли это делом рук человека, или подобные механизмы развились где-то в животном мире.

Технологии также обращаются к нашей собственной нервной системе за вдохновением для разработки более совершенного оборудования; знание того, что у наших отдельных клеток есть еще несколько трюков в рукаве, может привести к созданию транзисторов нового поколения.

Как именно этот новый логический инструмент, втиснутый в одну нервную клетку, воплощается в более высоких функциях - вопрос, на который предстоит ответить будущим исследователям.