Forskare upptäcker ett ”nytt språk” i den mänskliga hjärnan – kan förändra AI

En ny signal i mänskliga nervceller: vad forskarna fann

Neurobiologer har beskrivit ett helt nytt sätt för nervceller att kommunicera – ett slags extra "beräkningsspråk" som hjärnan verkar använda. Upptäckten kan i grunden förändra hur vi förstår tänkande, medvetande och utvecklingen av artificiell intelligens.

En forskargrupp från Tyskland och Grekland analyserade bitar av hjärnbarken som togs ut under operationer på epilepsipatienter. Sådana ingrepp görs rutinmässigt, och den vävnad som ändå skulle avlägsnas kunde på ett säkert sätt undersökas i mikroskop och kopplas till utrustning som mäter elektrisk aktivitet.

Under analyserna dök något oväntat upp. Istället för de klassiska impulser vi känner igen från läroböckerna i neurobiologi, uppträdde spänningsvågor med en annan karaktär i vissa celler. Källan visade sig vara nervtrådarna – dendriterna – och signalen hade egenskaper som låg mittemellan tidigare kända aktivitetstyper.

Den nya typen av elektrisk impuls i dendriterna fungerar som en extra kodrad som utökar beräkningsförmågan hos en enskild nervcell.

Forskarna döpte dessa vågor till dendritiska kalciumberoende aktionspotentialer, förkortat dCaAP. Det låter tekniskt, men kärnan är enkel: nervcellen har ytterligare ett driftsläge som tidigare aldrig beskrivits hos människan.

Inte bara natrium: jonernas överraskande samarbete i hjärnan

I de flesta läroböcker förklaras att impulser i nervceller huvudsakligen utlöses av inflöde av natriumjoner, medan deras utflöde hjälper till att dämpa signalen. Här visade sig situationen vara mer komplicerad – och just det fångade forskarteamets uppmärksamhet.

I dCaAP medverkar en specifik blandning av två viktiga ämnen: natrium och kalcium. Den kombinationen förändrar formen och varaktigheten hos spänningsvågen i dendriterna. För hjärnan innebär detta ett nytt sätt att bearbeta information, vilket är särskilt betydelsefullt i yttre skikten av hjärnbarken – de delar som ansvarar för de högre kognitiva funktionerna.

Forskarna kontrollerade också att det observerade fenomenet inte enbart berodde på patienternas grundsjukdom, till exempel förekomsten av en tumör. Signalen uppträdde konsekvent i olika prover och under varierande förhållanden, vilket tyder på att det rör sig om en universell mekanism i den mänskliga hjärnbarken – inte en laboratorieanomalitet.

Dendriterna som minidatorer inuti cellen

Dendriterna beskrivs ofta som nervcellens "antenner" som bara tar emot signaler. I verkligheten är de något mycket mer: de är små, lokala datorer som förbehandlar information innan den når cellkroppen och vidare ut i nätverket.

Dendriterna är inga passiva kablar. Det är aktiva strukturer som självständigt fattar en del beslut om huruvida information är värd att föra vidare.

Den nya impulstypen passar in i den bilden. Det verkar som att en mänsklig nervcell kan utföra operationer i sina dendritter som man tidigare tillskrivit hela nätverk av celler. Det har enorma konsekvenser för de hjärnmodeller som modern vetenskap använder sig av.

En tredje "logik" i hjärnan: OCH, ELLER – och något mer

Nervcellernas aktivitet har länge beskrivits med hjälp av enkla logiska scheman hämtade från informatiken. Den förenklade bilden såg ut ungefär så här: cellen "fattar ett beslut" om den ska skicka en impuls beroende på hur många inkommande signaler den tar emot.

Vanligen talar man om två typer av beteende, jämförbara med grundläggande logiska grindar:

• OCH-funktion – impulsen skickas ut när två specifika ingångar är aktiva samtidigt.
• ELLER-funktion – impulsen skickas ut när minst en av ingångssignalerna är aktiv.

Modelleringen av dCaAP gav en överraskning: en enskild nervcell kan bete sig som om den utför en mer komplex operation kallad "exklusivt eller" (XOR). Det är en konstruktion som är central i digitala logikkretsar och används bland annat i aritmetiska kretsar och datakryptering.

Varför är detta så anmärkningsvärt? Tidigare antog man att XOR krävde en hel kaskad av förbindelser mellan celler. Nu visar det sig att en enskild nervcell kan utföra en sådan operation med hjälp av en specifik jonblandning och aktivitet i dendriterna. Det innebär en tätare och mer flexibel informationsbearbetning i den mänskliga hjärnan än man tidigare trott.

Vad förändrar detta i förståelsen av tänkandet?

Den nya signaltypen antyder att en enskild nervcell har större beräkningskraft än vad många vedertagna modeller utgått ifrån. I praktiken kan det betyda att en del operationer som vi tillskriver hela nätverk – som igenkänning av komplexa mönster eller sammanslagning av flera intryck till en upplevelse – sker ett steg tidigare, redan inne i enskilda nervceller.

Ju mer som händer inuti en enda cell, desto mer förenklade framstår de tidigare scheman över hjärnans funktion som ritats på tavlor och i läroböcker.

Det tvingar i sin tur forskarna att mer noggrant undersöka tätheten i förbindelserna och organiseringen av hjärnbarken. Om nervcellen är så komplex räcker det inte med att räkna antalet celler för att beskriva hjärnans "kapacitet". Vad som också spelar roll är repertoaren av möjliga driftslägen.

Inspiration för AI, medicin och nya datorer

Beskrivningen av dCaAP öppnar upp för en rad nya frågor – och samtidigt flera konkreta möjligheter till praktiska tillämpningar. Minst fyra stora områden berörs:

• Neurobiologi: bättre förståelse för hur den mänskliga hjärnbarken sammanfogar sensorisk information, minne och uppmärksamhet till en sammanhängande upplevelse.
• AI: utformning av neurala nätverk som inte bara efterliknar förbindelserna mellan "artificiella nervceller" utan även deras inre komplexitet.
• Medicin: ett nytt perspektiv på sjukdomar där dendriter och jonkanaler är störda, till exempel vissa former av epilepsi och utvecklingsstörningar.
• Hårdvaruinformatik: konstruktion av så kallade neuromorfiska kretsar som tillämpar liknande principer som den mänskliga hjärnan och förbrukar mindre energi än klassiska processorer.

Om ingenjörer lyckas överföra logiken bakom dCaAP till kiselkretsar kan det öppna vägen för mikroprocessorer som hanterar en del uppgifter lokalt, på ett mer analogt än digitalt sätt. En sådan hybrid kan visa sig vara betydligt effektivare inom de områden där neurala nätverk dominerar idag – som bildigenkänning, ljudanalys och förutsägelse av komplexa händelseförlopp.

De viktigaste frågorna för de kommande årens forskning

Även om signalen i sig lyckats beskrivas ganska detaljerat återstår många frågor obesvarade. Forskarna ställer sig idag ett antal centrala frågor:

• Hur ofta förekommer dCaAP i en levande, fungerande hjärna – inte bara under laboratorieförhållanden?
• Är mekanismen unik för människan, eller finns den även hos andra arter med en välutvecklad hjärnbark?
• I vilka delar av hjärnbarken är den mest aktiv – hänger den mer samman med språk, rörelse eller arbetsminne?
• Hur förändras den under hjärnans utveckling och under åldrandet?

Svaren på dessa frågor kan ge konkret kunskap om processer som hittills undsluppit klassiska undersökningsmetoder: medvetande, kreativitet och till och med den subjektiva upplevelsen av tid. Om en enskild nervcell kan åstadkomma mer, skapar hela nätverk av sådana celler ett oerhört flexibelt och dynamiskt system.

Hur kan en lekman föreställa sig detta?

En bra liknelse är att jämföra med ett företagskontor. I den gamla modellen antog man att varje anställd på sin arbetsplats utförde en enkel uppgift och väntade på order uppifrån. Nu ser vi snarare ett team av specialister där var och en har egna verktyg, fattar en del beslut självständigt och vid behov genomför komplexa operationer direkt vid sitt eget skrivbord.

Dendriter med dCaAP fungerar som sådana minikontor inuti en enskild nervcell. Det är där den inledande analysen av information äger rum. Tack vare detta cirkulerar en mer "förädlad" signal längre ut i hjärnans nätverk – vilket kan förklara varför den mänskliga hjärnan hanterar uppgifter med bravur som vållar en vanlig dator enorma problem, till exempel att omedelbart känna igen ett ansikte i en folkmassa eller att uppfatta ironi i någons röst.

Vad kan en vanlig människa ha för nytta av detta?

Vid första anblick kan dCaAP låta som en abstrakt kuriositet från laboratoriet. Med tiden brukar sådana mekanismer dock kunna omsättas i mycket konkreta saker: effektivare behandlingar av minnesstörningar, snabbare och mer energisnåla AI-system i smarttelefoner, och bättre metoder för att övervaka hjärnans aktivitet – till exempel under sömn eller rehabilitering efter skador.

Det är också värt att komma ihåg att varje nytt verktyg för att beskriva nervcellernas aktivitet gör det möjligt att tydligare skilja det "normala" från det som tyder på sjukdom. Ju bättre vi förstår det naturliga "språket" hos signalerna i dendriterna, desto tidigare kan avvikelser upptäckas och målinriktade behandlingar utformas – istället för att arbeta med trial and error.