Wissenschaftler haben eine einzigartige Form der zellulären Nachrichtenübertragung entdeckt, die im menschlichen Gehirn auftritt, die noch nie zuvor gesehen wurde. Interessanterweise deutet dieser Befund darauf hin, dass unser Gehirn möglicherweise leistungsfähigere Recheneinheiten ist, als wir dachten.

Anfang letzten Jahres berichteten Forscher aus Instituten in Deutschland und Griechenland über einen Mechanismus in den äußeren kortikalen Zellen des Gehirns, der von selbst ein neues „Gradienten“-Signal erzeugt, das einzelne Neuronen mit einer anderen Möglichkeit ausstatten könnte, ihre logischen Funktionen auszuführen.

Durch die Messung der elektrischen Aktivität in Gewebeschnitten, die bei Epilepsiepatienten während der Operation entnommen wurden und deren Struktur mittels Fluoreszenzmikroskopie analysiert wurden, haben Neurologen herausgefunden, dass einzelne Zellen in der Großhirnrinde nicht nur die üblichen Natriumionen zum „Schießen“, sondern auch Kalzium verwenden.

Diese Kombination von positiv geladenen Ionen setzte noch nie dagewesene Spannungswellen frei, die als Calcium-vermittelte dendritische Aktionspotentiale oder dCaAPs bezeichnet werden.

Gehirne – insbesondere die der menschlichen Spezies – werden oft mit Computern verglichen. Diese Analogie hat ihre Grenzen, aber auf einigen Ebenen führen sie Aufgaben auf ähnliche Weise aus.

Beide nutzen die Kraft des elektrischen Potenzials, um unterschiedliche Operationen durchzuführen. In Computern ist dies ein ziemlich einfacher Elektronenfluss durch Übergänge, die Transistoren genannt werden.

In Neuronen liegt das Signal in Form einer Welle von sich öffnenden und schließenden Kanälen vor, die geladene Teilchen wie Natrium, Chlorid und Kalium austauschen. Dieser Puls von fließenden Ionen heißt Arbeitspotential.

Anstelle von Transistoren leiten Neuronen diese Nachrichten chemisch am Ende von Verzweigungen, den Dendriten.

Dendriten sind grundlegend für das Verständnis des Gehirns, da sie der Kern dessen sind, was die Rechenleistung einzelner Neuronen bestimmt. Matthew Larcom sagte Walter Beckwith bei der American Association for the Advancement of Science im Januar 2020.

Dendriten sind die Verkehrssignale unseres Nervensystems. Wenn das Aktionspotential groß genug ist, kann es auf andere Nerven übertragen werden, die die Nachricht entweder blockieren oder weiterleiten können.

Dies sind die Gründe für unser Gehirn – Spannungswellen, die in zwei Formen kollektiv kommuniziert werden können: entweder Und der Nachricht (wenn x Und der y ist eingeschaltet, die Nachricht wird weitergegeben); oder ein oder Nachricht (wenn x oder y ausgelöst, die Nachricht wird weitergeleitet).

Nirgendwo kann es komplizierter gesagt werden als der dichte, faltige äußere Teil des menschlichen Zentralnervensystems; Zerebraler Kortex. Die zweite und dritte tiefe Schicht sind besonders dick, vollgepackt mit Ästen, die hochrangige Funktionen ausführen, die wir mit Empfindung, Denken und motorischer Kontrolle verbinden.

Die Forscher untersuchten das Gewebe dieser Schichten genauer und befestigten Zellen an einem Gerät, das als somatische neuronale Patch-Synapse bezeichnet wird, um energetische Potenziale jedes Neuron nach oben und unten zu senden und ihre Signale aufzuzeichnen.

„Es gab einen ‚Heureka‘-Moment, als wir zum ersten Mal das Potenzial der dendritischen Wirkung erkannten“, Larcom sagte.

Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse nicht nur für Menschen mit Epilepsie gelten, überprüften sie ihre Ergebnisse in einigen Proben von Hirntumoren.

Während das Team ähnliche Experimente durchführte auf Mäusen, waren die Arten von Signalen, die sie durch menschliche Zellen wanderten, sehr unterschiedlich.

Wichtig ist, dass sie, als sie den Zellen einen Natriumkanalblocker namens Tetrodotoxin verabreichten, immer noch ein Signal fanden. Allein durch das Blockieren von Kalzium beruhigten sich alle.

Interessant genug ist es, ein durch Kalzium vermitteltes Aktionspotential zu finden. Aber die Modellierung der Funktionsweise dieses sensiblen neuen Signaltyps im Kortex ergab eine Überraschung.

Neben Logik Und der Und der oderDurch die Art der Funktionen können diese einzelnen Neuronen funktionieren ‚exklusiv‘ oder (XOR) Kreuzungen, die ein Signal nur zulässt, wenn ein anderes Signal in einer bestimmten Weise kategorisiert wird.

„Traditionell, XOR Es wird angenommen, dass der Prozess eine Netzwerklösung erfordert“, Forscher schrieben كتب.

Es muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um herauszufinden, wie sich dCaAPs über ganze Neuronen hinweg und in einem lebenden System verhalten. Ganz zu schweigen davon, ob es sich um etwas Menschliches handelte oder ob sich ähnliche Mechanismen anderswo im Tierreich entwickelt hatten.

Die Technologie schaut auch auf unser Nervensystem, um Inspiration für die Entwicklung besserer Geräte zu erhalten. Zu wissen, dass unsere einzelnen Zellen noch ein paar andere Tricks im Ärmel haben, könnte zu neuen Wegen führen, Transistoren zu vernetzen.

Wie dieses neue Logikwerkzeug in einem einzelnen Neuron in höhere Funktionen übersetzt, ist eine Frage, die zukünftige Forscher beantworten müssen.

Diese Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaft.

Eine Version dieses Artikels wurde ursprünglich im Januar 2020 veröffentlicht.