Forskare har upptäckt ett ”nytt språk” i den mänskliga hjärnan – och det kan förändra AI

En oväntad upptäckt i hjärnans neuroner

Neurobiologer har beskrivit ett helt nytt sätt på vilket nervceller kommunicerar med varandra – något som liknar ett extra "beräkningsspråk" i hjärnan. Forskning utförd på mänsklig hjärnbark tyder på att en enskild neuron kan utföra betydligt mer komplexa logiska operationer än vad vi tidigare trott.

Det här kan i grunden förändra hur vi ser på tänkande, medvetande och utvecklingen av artificiell intelligens.

Vad forskarna faktiskt observerade

Ett forskarlag från Tyskland och Grekland analyserade fragment av hjärnbarken som togs bort under operationer på patienter med epilepsi. Sådana ingrepp genomförs rutinmässigt, och den vävnad som ändå skulle avlägsnas kunde utan risk undersökas i mikroskop och anslutas till utrustning som mäter elektrisk aktivitet.

Under dessa analyser dök något oväntat upp. Istället för de klassiska impulser som beskrivs i läroböckerna i neurobiologi, uppträdde spänningsvågor med en annorlunda karaktäristik i vissa celler. Källan visade sig vara neuronernas utskott – dendriten – och signalen hade egenskaper som låg mitt emellan de dittills kända typerna av aktivitet.

Den nya typen av elektrisk impuls i dendriterna hos mänskliga nervceller fungerar som en extra rad kod, vilket utökar beräkningskapaciteten hos en enskild nervcell.

Forskarna gav dessa vågor namnet "dendritiska kalciumberoende aktionspotentialer", förkortat dCaAP. Tekniskt uttryckt – men kärnan är enkel: neuronen har tillgång till ytterligare ett driftläge som inte tidigare beskrivits hos människan.

Inte bara natrium: jonernas överraskande samarbete i hjärnan

I de flesta läroböcker förklaras att impulser i nervceller framför allt orsakas av inflöde av natriumjoner, medan deras utflöde hjälper till att dämpa signalen. I det här fallet visade sig situationen vara mer komplicerad – och det var just det som fångade forskarteamets uppmärksamhet.

I dCaAP ingår en specifik blandning av två centrala grundämnen: natrium och kalcium. Den kombinationen förändrar formen och varaktigheten hos spänningsvågen i dendriterna. För hjärnan innebär det ett nytt sätt att bearbeta information, vilket är särskilt viktigt i de yttre lagren av hjärnbarken – de lager som ansvarar för högre kognitiva funktioner.

Forskarna kontrollerade också att den observerade effekten inte enbart berodde på grundsjukdomen, till exempel förekomsten av en tumör. Signalen uppträdde konsekvent i olika prover och under olika förhållanden, vilket tyder på att vi har att göra med en universell mekanism i den mänskliga hjärnbarken – inte en laboratorieanomali.

Dendriterna som små datorer inne i cellen

Dendriterna framställs ofta som neuronernas "antenner" – strukturer som bara tar emot signaler. I praktiken är de något mer än så: de fungerar som små, lokala datorer som preliminärt analyserar data innan informationen når cellkroppen och vidare ut i nätverket.

Dendriterna är inte passiva kablar. Det är aktiva strukturer som självständigt fattar en del av besluten om huruvida information är värd att skicka vidare.

Den nya typen av impuls passar väl in i den bilden. Det verkar som att den mänskliga nervcellen kan utföra operationer i sina dendritersom man tidigare tillskrev hela cellnätverk. Det här resultatet har enorm betydelse för de hjärnmodeller som modern vetenskap använder sig av.

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

Nervcellernas aktivitet har hittills ofta beskrivits med hjälp av enkla logiska scheman hämtade från datavetenskap. Den förenklade bilden ser ut så här: cellen "fattar ett beslut" om den ska skicka en impuls beroende på hur många ingångssignaler som når den.

Oftast talar vi om två typer av beteende, jämförbara med grundläggande logiska grindar:

• beteende liknande "OCH" – impulsen skickas när två utvalda ingångar aktiveras samtidigt,
• beteende liknande "ELLER" – impulsen skickas när minst en av ingångssignalerna aktiveras.

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

Varför är det så intressant? Tidigare antog man att XOR krävde en hel kaskad av kopplingar 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.

Vad förändrar detta i vår förståelse av tänkandet?

Den nya signaltypen antyder att en enskild nervcell har större beräkningskapacitet än vad som antagits i många etablerade modeller. I praktiken kan det betyda att en del av de operationer vi tillskriver hela nätverk – som igenkänning av komplexa mönster eller sammanslagning av flera stimuli till en enda upplevelse – sker ett steg tidigare, redan inne i enskilda neuroner.

Ju mer som händer inuti en enda cell, desto mer förenklat framstår de hittillsvarande scheman för hjärnans funktion som ritats på tavlor och i läroböcker.

Det tvingar i sin tur forskarna att noggrannare granska tätheten av kopplingar och organiseringen av hjärnbarken. Om nervcellen är så komplex räcker inte enbart antalet celler för att beskriva hjärnans "kraft". Det som också spelar roll är repertoaren av möjliga driftlägen.

Inspiration för AI, medicin och nya datorer

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

• Neurobiologi: bättre förståelse för hur den mänskliga hjärnbarken sammanfogar sensorisk information, minne och uppmärksamhet till en sammanhängande upplevelse,
• AI: utformning av neurala nätverk som avbildar inte bara kopplingarna mellan "konstgjorda neuroner" utan även deras inre komplexitet,
• Medicin: ett nytt perspektiv på sjukdomar där dendriterna och jonkanalerna är störda – till exempel vissa former av epilepsi och utvecklingsrelaterade störningar,
• Hårdvaruinformatik: konstruktion av så kallade neuromorfiska integrerade kretsar som utnyttjar principer liknande den mänskliga hjärnans och förbrukar mindre energi än klassiska processorer.

Om ingenjörerna överför logiken bakom dCaAP till kiselbaserade kretsar uppstår möjligheten att skapa mikroprocessorer som utför en del uppgifter lokalt, på ett mer analogt än digitalt sätt. En sådan hybrid kan visa sig vara betydligt effektivare inom områden där neurala nätverk dominerar idag – som bildigenkänning, ljudanalys eller förutsägelse av komplexa förlopp.

De viktigaste frågorna inför kommande år av forskning

Även om själva signalen kunde beskrivas relativt noggrant återstår många frågor. Forskarna ställer sig idag ett antal centrala frågor:

• hur ofta dCaAP uppträder i en hjärna som fungerar i verkliga livet, och inte bara under laboratorieförhållanden,
• om den här mekanismen förekommer enbart hos människan eller även hos andra arter med en välutvecklad hjärnbark,
• i vilka delar av hjärnbarken den är mest aktiv – om den är mer kopplad till språk, rörelse eller arbetsminne,
• hur den förändras under hjärnans utveckling och under åldrandet.

Svaren på de frågorna kan ge konkret kunskap om processer som hittills undgått klassisk forskning: medvetande, kreativitet och till och med den subjektiva upplevelsen av tid. Om en enskild nervcell kan åstadkomma mer, bildar hela nätverk av sådana celler ett otroligt flexibelt och dynamiskt system.

Hur kan en vanlig person föreställa sig det här?

En bra bild är att jämföra det med ett företags kontor. I den gamla modellen antog man att varje anställd vid sin arbetsplats utförde en enkel uppgift och väntade på instruktioner från chefen. 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 "vid sitt eget skrivbord".

Dendriter med dCaAP fungerar som sådana minikontor inom en enskild nervcell. Det är där den preliminära informationsanalysen äger rum. Tack vare det cirkulerar en redan mer "bearbetad" signal vidare i hjärnans nätverk – vilket kan förklara varför den mänskliga hjärnan klarar uppgifter som vanliga datorer har enorma svårigheter med, till exempel att omedelbart känna igen ett ansikte i en folkmassa eller uppfatta ironi i någons röst.

Vad kan en vanlig människa ha för nytta av det här?

Vid första anblicken låter dCaAP som en abstrakt kuriositet från laboratorierna. Men med tiden brukar sådana mekanismer omsättas i mycket konkreta saker: effektivare behandlingar av minnesstörningar, snabbare och mer energisnåla AI-system i smartphones, 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 neuronaktivitet gör det möjligt att mer precist skilja det "typiska" från det som tyder på sjukdom. Ju bättre vi förstår det naturliga "språket" i dendriternas signaler, desto tidigare kan avvikelser upptäckas och riktade behandlingar utformas – istället för att arbeta med trial and error.