У мозку людини виявлено перший у своєму роді сигнал

Вчені виявили унікальну форму обміну повідомленнями між клітинами людського мозку, яка показує, як багато нам ще належить дізнатися про його таємничу внутрішню роботу. Захоплююче відкриття натякає на те, що наш мозок може бути навіть більш потужним обчислювальним пристроєм, ніж ми уявляли.

У 2020 році дослідники з інститутів Німеччини та Греції повідомили про механізм у зовнішніх клітинах кори головного мозку, який самостійно виробляє новий «градуйований» сигнал, який може надати окремим нейронам інший спосіб виконувати свої логічні функції.

Вимірюючи електричну активність у ділянках тканин, видалених під час операції у хворих на епілепсію, та аналізуючи їхню структуру за допомогою флуоресцентної мікроскопії, неврологи виявили, що окремі клітини кори головного мозку використовують для «стрільби» не лише звичні іони натрію, а й кальцію. Ця комбінація позитивно заряджених іонів викликала небачені раніше хвилі напруги, які отримали назву кальцій-опосередкованих дендритних потенціалів дії, або dCaAPs (кальцій-опосередковані дендритні потенціали дії).

Мозок — особливо людський — часто порівнюють з комп’ютером. Аналогія має свої межі, але на деяких рівнях вони виконують завдання подібним чином. Обидва використовують силу електричної напруги для виконання різних операцій. У комп’ютерах це відбувається у вигляді досить простого потоку електронів через переходи, які називаються транзисторами.

У нейронах сигнал має форму хвилі відкриття і закриття каналів, які обмінюються зарядженими частинками, такими як натрій, хлорид і калій. Цей імпульс потоку іонів називається потенціалом дії. Замість транзисторів, нейрони керують цими повідомленнями хімічно на кінцях відростків, які називаються дендритами.

«Дендрити мають центральне значення для розуміння роботи мозку, оскільки вони лежать в основі того, що визначає обчислювальну потужність окремих нейронів», — сказав нейробіолог з Університету Гумбольдта Метью Ларкум Уолтеру Беквіту в Американській асоціації розвитку науки в січні 2020 року.

Дендрити — це світлофори нашої нервової системи. Якщо потенціал дії досить значний, він може передаватися на інші нерви, які можуть блокувати або передавати повідомлення. Це логічне підґрунтя нашого мозку — пульсації напруги, які можуть бути передані у двох формах: або повідомлення «І» (якщо спрацьовують x та y, повідомлення передається далі); або повідомлення «АБО» (якщо спрацьовує x або y, повідомлення передається далі).

Мабуть, ніде це не є більш складним, ніж у щільному, зморшкуватому зовнішньому відділі центральної нервової системи людини — корі головного мозку. Глибокі другий і третій шари особливо товсті, наповнені відгалуженнями, які виконують функції високого порядку, що асоціюються у нас з відчуттями, мисленням і моторним контролем.

Саме тканини цих шарів дослідники вивчали зблизька, під’єднавши клітини до пристрою, який називається соматодендритним пластирним затискачем, щоб посилати активні потенціали вгору і вниз по кожному нейрону, записуючи їхні сигнали.

«Це був момент «еврики», коли ми вперше побачили дендритні потенціали дії», — каже Ларкум.

Щоб переконатися, що будь-які відкриття не були унікальними для людей з епілепсією, вони двічі перевірили свої результати на кількох зразках, взятих з пухлин головного мозку. Хоча команда проводила подібні експерименти на щурах, типи сигналів, які вони спостерігали в людських клітинах, дуже відрізнялися.

Що ще важливіше, коли вони дозували клітини блокатором натрієвих каналів під назвою тетродотоксин, вони все ще знаходили сигнал. Лише після блокування кальцію все затихло. Виявити потенціал дії, опосередкований кальцієм, досить цікаво. Але моделювання того, як цей чутливий новий вид сигналу працює в корі головного мозку, виявило сюрприз.

На додаток до логічних функцій типу «І» та «АБО», ці окремі нейрони можуть діяти як «ексклюзивні» перехрестя «АБО» (XOR), які дозволяють сигнал лише тоді, коли інший сигнал оцінюється певним чином.

«Традиційно вважалося, що операція XOR вимагає мережевого рішення», — пишуть дослідники.

Необхідно провести додаткову роботу, щоб побачити, як dCaAPs поводяться в цілих нейронах і в живій системі. Не кажучи вже про те, чи є це особливістю людини, чи подібні механізми розвинулися деінде у тваринному світі.

Технології також шукають у нашій нервовій системі натхнення для розробки кращого обладнання; знання того, що наші власні клітини мають ще кілька козирів у рукавах, може призвести до нових способів об’єднання транзисторів у мережу. Як саме цей новий логічний інструмент, втиснутий в одну нервову клітину, перетвориться на вищі функції — це питання, на яке мають відповісти майбутні дослідники. Це дослідження було опубліковано в Science.