Современные исследования мозга постоянно открывают новые горизонты в понимании его работы. Последние достижения ученых из Германии и Греции выявили уникальные механизмы нейронной связи, которые могут изменить наше представление о когнитивных функциях. Они обнаружили, что нейроны могут генерировать сложные логические сигналы, используя не только традиционные ионы натрия, но и кальция. Это открытие поднимает важные вопросы о вычислительной способности мозга и его роли в формировании мыслительных процессов.
Недавние исследования, проведенные учеными из Германии и Греции, привели к открытию уникальной формы обмена сообщениями между клетками в человеческом мозге, подчеркивающей, насколько мало мы знаем о его внутренней работе. Это открытие может указывать на то, что наш мозг является ещё более мощным вычислительным устройством, чем предполагалось ранее. Статья на соответствующую тему опубликована в журнале Science.
В 2020 году исследователи обнаружили новый механизм во внешних клетках коры головного мозга, который вырабатывает «градуированный» сигнал, позволяя отдельным нейронам выполнять логические функции. Изучая электрическую активность в образцах тканей, полученных во время операций у пациентов с эпилепсией, и используя флуоресцентную микроскопию, команда неврологов выявила, что нейроны коры головного мозга используют не только ионы натрия, но и кальция для своего возбуждения.
Эта уникальная комбинация положительно заряженных ионов вызывает волны напряжения, известные как потенциалы дендритного действия, опосредованные кальцием (dCaAP). Эти сигналы представляют собой новый уровень сложности в работе мозга, который ранее не был замечен. Они позволяют нейронам не только передавать информацию, но и выполнять логические операции, что потенциально расширяет горизонты нашего понимания нейронной сети.
Мозг человека часто сравнивают с компьютером, и хотя эта аналогия имеет свои ограничения, на некоторых уровнях они действительно выполняют схожие задачи. В то время как компьютеры используют поток электронов через транзисторы, нейроны управляют сигналами химически на концах своих отростков — дендритах. Именно они играют ключевую роль в вычислительной мощности нейронов.
«Дендриты — это светофоры нашей нервной системы», — отметил нейробиолог Мэтью Ларкум. Они определяют, будет ли сигнал передан другим нейронам, что создает логическую основу работы мозга.
Исследователи сосредоточили внимание на глубоких слоях коры головного мозга, которые отвечают за более сложные функции, такие как восприятие, мышление и двигательную координацию. Они использовали устройство под названием «соматодендритный патч-зажим», чтобы отправлять активные потенциалы вверх и вниз по нейронам и записывать их сигналы.
«Когда мы впервые увидели дендритные потенциалы действия, это был момент озарения», — поделился Ларкум. Чтобы убедиться, что их открытия не являются уникальными для пациентов с эпилепсией, команда провела дополнительные эксперименты на образцах из опухолей головного мозга. Результаты подтвердили, что наблюдаемые сигналы в клетках человека значительно отличаются от тех, что были зарегистрированы у крыс.
Что ещё более интригует, так это то, что даже вводя блокатор натриевых каналов, исследователи всё равно обнаружили сигнал. Полная блокировка наблюдалась только после прекращения действия кальция. Это открытие указывает на то, что потенциалы действия, опосредованные кальцием, могут выполнять более сложные логические операции, такие как исключающее ИЛИ (XOR).
«Традиционно считалось, что для выполнения операции XOR требуется сетевое решение», — отмечают исследователи. Это открытие поднимает новые вопросы о том, как отдельные нейроны могут взаимодействовать и обрабатывать информацию. Возможно, dCaAP являются основой для формирования более сложных когнитивных процессов, таких как принятие решений и память.
Необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, как dCaAP функционируют в целом в нейронах и в живой системе. Ученых также интересует, является ли это открытие уникальным для человека или подобные механизмы существуют и у животных. Планируется исследовать, как эти сигналы могут быть связаны с различными неврологическими заболеваниями и нарушениями.
Это исследование может побудить технологические компании создавать более совершенное оборудование, используя знания о работе нашей нервной системы. Новые подходы к нейроинженерии и внедрение аналогий с нейробиологией могут привести к созданию более эффективных искусственных нейронных сетей и улучшению интерфейсов «мозг-компьютер». Вопрос о том, как этот новый логический инструмент преобразуется в более сложные функции, остается открытым для будущих исследований.
На текущий момент известно, что потенциалы дендритного действия, опосредованные кальцием (dCaAP), позволяют нейронам выполнять более сложные логические операции, чем считалось ранее. Исследования показывают, что эти механизмы могут быть не уникальными для человека и есть надежды на их изучение в контексте различных неврологических заболеваний.
