(KTSDESIGN/Science Photo Library/Getty Images) Wissenschaftler haben eine einzigartige Form der Zellkommunikation im menschlichen Gehirn entdeckt, die noch nie zuvor gesehen wurde. Spannenderweise deutet die Entdeckung darauf hin, dass unser Gehirn möglicherweise noch leistungsfähigere Recheneinheiten ist, als wir dachten.
Anfang letzten Jahres berichteten Forscher von Instituten in Deutschland und Griechenland über einen Mechanismus in den äußeren kortikalen Zellen des Gehirns, der ganz von selbst ein neuartiges „abgestuftes“ Signal erzeugt, das einzelnen Neuronen eine andere Möglichkeit bieten könnte, ihre logischen Funktionen auszuführen.
Indem die Neurologen die elektrische Aktivität in Gewebeabschnitten maßen, die während einer Operation an epileptischen Patienten entfernt wurden, und deren Struktur mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie analysierten, fanden die Neurologen heraus, dass einzelne Zellen in der Hirnrinde nicht nur die üblichen Natriumionen zum „Feuern“ verwendeten, sondern auch Kalzium.
Diese Kombination positiv geladener Ionen löste noch nie dagewesene Spannungswellen aus, die als kalziumvermittelte dendritische Aktionspotentiale oder dCaAPs bezeichnet werden.
Gehirne – insbesondere die menschlicher Art – werden oft mit Computern verglichen. Die Analogie hat ihre Grenzen , aber auf einigen Ebenen führen sie Aufgaben auf ähnliche Weise aus.
Beide nutzen die Kraft einer elektrischen Spannung, um verschiedene Vorgänge auszuführen. In Computern geschieht dies in Form eines ziemlich einfachen Elektronenflusses durch Kreuzungspunkte, die Transistoren genannt werden.
In Neuronen liegt das Signal in Form einer Welle sich öffnender und schließender Kanäle vor, die geladene Teilchen wie Natrium, Chlorid und Kalium austauschen. Dieser Impuls fließender Ionen wird als An bezeichnet Aktionspotential .
Anstelle von Transistoren verwalten Neuronen diese Nachrichten chemisch am Ende von Zweigen, die Dendriten genannt werden.
„Die Dendriten sind für das Verständnis des Gehirns von zentraler Bedeutung, da sie den Kern dessen ausmachen, was die Rechenleistung einzelner Neuronen bestimmt“, sagt Neurowissenschaftler der Humboldt-Universität Matthew Larkum erzählte es Walter Beckwith bei der American Association for the Advancement of Science im Januar 2020.
Dendriten sind die Ampeln unseres Nervensystems. Wenn ein Aktionspotential signifikant genug ist, kann es an andere Nerven weitergeleitet werden, die die Nachricht blockieren oder weiterleiten können.
Dies ist die logische Grundlage unseres Gehirns – Spannungswellen, die kollektiv in zwei Formen kommuniziert werden können: entweder an UND Nachricht (wenn x Und y ausgelöst werden, wird die Nachricht weitergeleitet); oder ein ODER Nachricht (wenn x oder y ausgelöst wird, wird die Nachricht weitergeleitet).
Nirgendwo ist dies wohl komplexer als im dichten, faltigen äußeren Teil des menschlichen Zentralnervensystems; die Großhirnrinde. Die tieferen zweiten und dritten Schichten sind besonders dick und voller Äste, die höherwertige Funktionen ausführen, die wir mit Empfindungen, Gedanken und motorischer Kontrolle verbinden.
Es waren die Gewebe aus diesen Schichten, die die Forscher genau unter die Lupe nahmen und die Zellen an ein Gerät namens „somatodendritische Patch-Klemme“ anschlossen, um aktive Potenziale an jedes Neuron hinauf und hinunter zu senden und ihre Signale aufzuzeichnen.
„Es gab einen ‚Heureka‘-Moment, als wir zum ersten Mal die dendritischen Aktionspotentiale sahen“, sagte Larkum .
Um sicherzustellen, dass die Entdeckungen nicht nur Menschen mit Epilepsie betrafen, überprüften sie ihre Ergebnisse noch einmal anhand einer Handvoll Proben von Hirntumoren.
Dabei hatte das Team ähnliche Experimente durchgeführt auf Ratten , die Arten von Signalen, die sie beim Summen durch die menschlichen Zellen beobachteten, waren sehr unterschiedlich.
Noch wichtiger ist, dass sie den Zellen einen sogenannten Natriumkanalblocker verabreichten Tetrodotoxin , sie fanden immer noch ein Signal. Nur durch die Blockierung von Kalzium wurde alles ruhig.
Es ist interessant genug, ein durch Kalzium vermitteltes Aktionspotential zu finden. Doch die Modellierung der Funktionsweise dieses sensiblen neuen Signaltyps im Kortex brachte eine Überraschung zutage.
Zusätzlich zum Logischen UND Und ODER -Typ-Funktionen, als die diese einzelnen Neuronen fungieren könnten 'exklusiv' ODER ( FREI ) Kreuzungen , die ein Signal nur zulassen, wenn ein anderes Signal auf eine bestimmte Weise abgestuft ist.
„Traditionell ist die FREI „Für den Betrieb wurde angenommen, dass eine Netzwerklösung erforderlich ist“, schrieben die Forscher .
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 ein menschliches Ding handelt oder ob sich ähnliche Mechanismen anderswo im Tierreich entwickelt haben.
Technologie ist auch Blick auf unser eigenes Nervensystem um Inspiration für die Entwicklung besserer Hardware zu erhalten; Das Wissen, dass unsere eigenen Zellen noch ein paar Tricks im Ärmel haben, könnte zu neuen Wegen zur Vernetzung von Transistoren führen.
Wie genau sich dieses neue Logikwerkzeug, das in eine einzelne Nervenzelle gepresst wird, in höhere Funktionen umsetzt, ist eine Frage, die künftige Forscher beantworten müssen.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaft .
Eine Version dieses Artikels wurde ursprünglich im Januar 2020 veröffentlicht.