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Wissenschaftler haben eine einzigartige Form der zellulären Nachrichtenübermittlung identifiziert, die im menschlichen Gehirn stattfindet. Es zeigt, wie viel wir noch über sein mysteriöses Innenleben lernen müssen.
Interessanterweise deutet diese Entdeckung darauf hin, dass unser Gehirn möglicherweise leistungsfähigere Recheneinheiten ist, als wir dachten.
Im Jahr 2020 berichteten Forscher von Instituten in Deutschland und Griechenland über einen Mechanismus in den extrazellulären kortikalen Zellen des Gehirns, der ein neues, eigenes „Gradienten“-Signal erzeugt, ein Signal, das einzelnen Neuronen eine andere Möglichkeit bieten kann, ihre logischen Funktionen auszuführen.
Durch die Messung der elektrischen Aktivität in Gewebeabschnitten, die bei Operationen an Epilepsiepatienten entfernt wurden, und die Analyse ihrer Struktur mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie fanden Neurologen heraus, dass einzelne Zellen im Kortex nicht nur die üblichen Natriumionen zur „Freisetzung“ verwenden, sondern auch Kalzium.
Diese Mischung aus positiv geladenen Ionen löste noch nie dagewesene Wellen elektrischer Spannung aus, die als kalziumvermittelte dendritische Aktionspotentiale oder dCaAPs bezeichnet werden.
Gehirne – insbesondere die des Menschen – 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 des elektrischen Potenzials, um unterschiedliche Vorgänge auszuführen. In Computern ist dies ein einfacher Elektronenfluss durch Übergänge, sogenannte Transistoren.
In Neuronen liegt das Signal in Form einer Welle sich öffnender und schließender Kanäle vor, die geladene Moleküle wie Natrium, Chlorid und Kalium austauschen. Dieser Impuls fließender Ionen wird Puls genannt Aktionspotential.
Anstelle von Transistoren leiten Neuronen diese Nachrichten chemisch am Ende von Dendriten genannten Zweigen weiter.
„Dendriten sind für das Verständnis des Gehirns von grundlegender Bedeutung, da sie im Wesentlichen die Rechenleistung einzelner Neuronen bestimmen“, sagte der Neurowissenschaftler der Humboldt-Universität Matthew Larcom erzählte es Walter Beckwith Bei der American Association for the Advancement of Science im Januar 2020.
Dendriten sind die Ampeln unseres Nervensystems. Wenn das Aktionspotential groß genug ist, kann es auf andere Nerven übertragen werden, die die Nachricht blockieren oder weiterleiten können.
Dies sind die Logiken unseres Gehirns – elektrische Spannungswellen, die kollektiv auf zwei Arten kommuniziert werden können: entweder Und Nachricht (wenn x Und y wird ausgeführt und die Nachricht wird übergeben); oder oder Nachricht (wenn x oder y wird ausgeführt und die Nachricht wird übergeben.
Nirgendwo ist dies komplexer als im dichten, faltigen äußeren Teil des menschlichen Zentralnervensystems. Zerebraler Kortex. Die zweite und dritte tiefere Schicht sind besonders dick und mit Ästen gefüllt, die übergeordnete Funktionen ausführen, die wir mit Empfindungen, Gedanken und motorischer Kontrolle assoziieren.
Die Forscher untersuchten das Gewebe dieser Schichten genauer und verbanden die Zellen mit einem Gerät namens somatodendritische Synapse, um aktive Potenziale an jedem Neuron hoch und runter zu senden und seine Signale aufzuzeichnen.
„Es gab einen Aha-Moment, als wir zum ersten Mal dendritische Aktionspotentiale sahen.“ Sagte Larcom.
Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse nicht auf Menschen mit Epilepsie beschränkt waren, überprüften sie ihre Ergebnisse noch einmal anhand einer kleinen Anzahl von Proben aus Hirntumoren.
Dabei hatte das Team ähnliche Experimente durchgeführt Auf MäusenDie Arten von Signalen, die sie beim Summen durch menschliche Zellen beobachteten, waren sehr unterschiedlich.
Noch wichtiger ist, dass sie ein Signal finden konnten, als sie den Zellen einen Natriumkanalblocker namens Tetrodotoxin injizierten. Alles beruhigte sich nur durch die Blockierung von Kalzium.
Es ist interessant genug, kalziumvermittelte Aktionspotentiale zu finden. Doch die Modellierung der Funktionsweise dieses sensiblen neuen Signaltyps in der Großhirnrinde hat eine Überraschung zutage gefördert.
Zusätzlich zu logisch Und Und oderFunktionen dieser Art können diese einzelnen Neuronen übernehmen 'Exklusiv' oder (XOR) Kreuzungendie ein Signal nur dann zulässt, wenn ein anderes Signal auf eine bestimmte Weise klassifiziert ist.
„Traditionell, XOR „Es wird angenommen, dass der Prozess eine Netzwerklösung erfordert.“ Die Forscher schrieben.
Es muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um zu untersuchen, wie sich dCaAPs in ganzen Neuronen und im lebenden System verhalten. Ganz zu schweigen davon, ob es sich um Menschen handelt oder ob sich ähnliche Mechanismen anderswo im Tierreich entwickelt haben.
Auch die Technologie orientiert sich bei der Entwicklung besserer Geräte an unserem Nervensystem. Das Wissen, dass unsere einzelnen Zellen noch ein paar zusätzliche Tricks im Ärmel haben, könnte zu neuen Möglichkeiten führen, Transistoren mit Netzwerken zu verbinden.
Wie dieses neue, auf ein einzelnes Neuron beschränkte Argumentationswerkzeug in höhere Funktionen umgesetzt werden kann, ist eine Frage, die künftige Forscher beantworten müssen.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaften.
Eine Version dieses Artikels wurde ursprünglich im Januar 2020 veröffentlicht.
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