En ny signal i mänskliga nervceller: vad forskarna såg
Neurobiologer har beskrivit ett helt nytt sätt för nervceller att kommunicera – 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 kan förändra hur vi ser på tänkande, medvetande och utvecklingen av artificiell intelligens.
Ett forskarlag från Tyskland och Grekland analyserade fragment av hjärnbarken som togs bort under epilepsioperationer. Sådana ingrepp utförs rutinmässigt, och den vävnad som ändå skulle avlägsnas kunde undersökas säkert under mikroskop och kopplas till utrustning som mäter elektrisk aktivitet.
Under analyserna dök något oväntat upp. I stället för de "klassiska" impulser vi känner igen från neurobiologiläroböcker uppträdde spänningsvågor med en annan karaktär i vissa celler. Källan visade sig vara neuronernas utskott – dendriterna – och signalen hade egenskaper som låg mitt emellan de hittills kända aktivitetstyperna.
Den nya typen av elektrisk impuls i dendriterna hos mänskliga nervceller fungerar som en extra kodrad som utökar den enskilda nervcellens beräkningsförmåga.
Forskarna kallade dessa vågor för dendritiska kalciumberoende aktionspotentialer, förkortat dCaAP. Enkelt uttryckt: neuronen har tillgång till ytterligare ett funktionsläge som aldrig tidigare beskrivits hos människan.
Inte bara natrium: ett förvånande jonsamarbete i hjärnan
I de flesta läroböcker förklaras att impulser i nervceller framförallt orsakas av ett inflöde av natriumjoner, medan deras utflöde hjälper till att släcka signalen. I det här fallet visade sig bilden vara mer komplicerad – och det var just detta som fångade forskarteamets uppmärksamhet.
I dCaAP medverkar en specifik blandning av två viktiga 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 betydelsefullt i de yttre skikten av hjärnbarken – de som ansvarar för högre kognitiva funktioner.
Forskarna bekräftade också att det observerade fenomenet 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.
Dendriter som små datorer inuti cellen
Dendriter framställs ofta som neuronens "antenner" som bara tar emot signaler. I praktiken är de mycket mer än så: de fungerar som små, lokala datorer som preliminärt analyserar data innan informationen når cellkroppen och vidare ut i nätverket.
Dendriter är inte passiva kablar. De är aktiva strukturer som själva fattar en del beslut om huruvida information är värd att skicka vidare.
Den nya impulstypen passar in i den bilden. Det verkar som att en mänsklig neuron kan utföra operationer i sina dendriter som 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
Hittills har neuronaktivitet ofta beskrivits med hjälp av enkla logiska scheman hämtade från datavetenskap. Den förenklade bilden såg ut ungefär så här: cellen "fattar ett beslut" om den ska skicka en impuls beroende på hur många insignaler som når den.
Vanligtvis talar man om två typer av beteende, jämförbara med grundläggande logiska grindar:
- OCH-funktion – en impuls skickas ut när två specifika ingångar aktiveras samtidigt
- ELLER-funktion – en impuls skickas ut när minst en av insignalerna är aktiv
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 logiska kretsar – den används bland annat i aritmetiska kretsar och datakryptering.
|
Typ av logisk funktion |
Vad som händer i neuronen |
|
OCH |
Impulsen skickas ut när två villkor uppfylls samtidigt |
|
ELLER |
Impulsen skickas ut när minst ett villkor uppfylls |
|
XOR |
Impulsen skickas ut när exakt ett villkor uppfylls – inte båda på en gång |
Varför är det så intressant? Man trodde tidigare att XOR krävde en hel kaskad av kopplingar mellan celler. Nu visar det sig att en enskild neuron kan utföra en sådan operation med hjälp av en specifik jonblandning och aktivitet i dendriterna. Det innebär en mer "kompakt" och flexibel informationsbearbetning i den mänskliga hjärnan.
Vad förändrar detta i förståelsen av tänkandet?
Den nya signaltypen antyder att en enskild nervcell har större beräkningskapacitet än vad många etablerade modeller utgår från. I praktiken kan det innebära att en del operationer som tillskrivs hela nätverk – som igenkänning av komplexa mönster eller sammanslagning av flera stimuli till ett enda intryck – sker ett steg tidigare, redan i enskilda neuroner.
Ju mer som händer inuti en enskild cell, desto mer förenklade verkar de tidigare scheman för hjärnans funktion som ritats på tavlor och i läroböcker.
Det tvingar i sin tur forskarna att titta noggrannare på kopplingars täthet och hjärnbarkens organisation. Om en neuron är så komplex räcker inte enbart antalet celler för att beskriva hjärnans "kraft". Det som också spelar roll är repertoaren av möjliga funktionslägen.
Inspiration för AI, medicin och nya datorer
Beskrivningen av dCaAP öppnar upp en rad nya frågor – och samtidigt flera mycket konkreta möjligheter till praktiska tillämpningar. Minst fyra stora områden berörs:
- Neurobiologi: en bättre förståelse av hur den mänskliga hjärnbarken sammanfogar sensorisk information, minne och uppmärksamhet till en sammanhängande upplevelse
- AI: utformning av neurala nätverk som återspeglar inte bara kopplingarna mellan "konstgjorda neuroner" utan också deras interna komplexitet
- Medicin: ett nytt perspektiv på sjukdomar där dendriter och jonkanaler är störda, till exempel vissa former av epilepsi och utvecklingsrelaterade störningar
- Hårdvaruinformatik: konstruktion av så kallade neuromorfiska integrerade kretsar som använder liknande principer som den mänskliga hjärnan och förbrukar mindre energi än klassiska processorer
Om ingenjörer lyckas överföra dCaAP-logiken till kiselkretsar öppnas möjligheten till mikroprocessorer som utför en del uppgifter lokalt, på ett mer analogt än digitalt sätt. En sådan hybrid kan visa sig vara mycket effektivare på de områden där neurala nätverk dominerar idag – igenkänning av bild och ljud, eller förutsägelse av komplexa skeenden.
De viktigaste frågorna för kommande års forskning
Även om signalen har kunnat beskrivas relativt noggrant kvarstår många frågor. Forskarna ställer sig idag bland annat följande:
- Hur ofta uppträder dCaAP i en levande hjärna – inte bara under laboratorieförhållanden?
- Finns den här mekanismen enbart hos människan, eller även hos andra arter med en utvecklad 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 vid åldrande?
Svaren på dessa frågor kan ge konkret kunskap om processer som hittills undsluppit klassisk forskning: medvetande, kreativitet och till och med den subjektiva upplevelsen av tid. Om en enskild neuron kan mer, bildar hela nätverk av sådana celler ett ytterst flexibelt och dynamiskt system.
Hur kan en lekman förstå det här?
En bra bild är att jämföra med ett företagskontor. I den gamla modellen antog man att varje anställd på sin plats utförde en enkel uppgift och väntade på chefsorder. Nu ser vi snarare ett team av specialister där var och en har sina 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 preliminära informationsanalysen sker. Tack vare det cirkulerar ett mer "förädlat" signal vidare i hjärnans nätverk – vilket kan förklara varför den mänskliga hjärnan hanterar uppgifter utmärkt som en vanlig dator har enorma svårigheter med, till exempel att omedelbart känna igen ett ansikte i en folksamling eller uppfatta ironi i någons röst.
Vad kan det här innebära för vanliga människor?
Vid första anblicken kan dCaAP verka som en abstrakt kuriositet från laboratorier. Med tiden brukar sådana mekanismer dock översättas till mycket konkreta saker: effektivare behandlingar vid 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 neuronernas aktivitet gör det möjligt att mer exakt skilja det "typiska" från det som indikerar sjukdom. Ju bättre vi förstår det naturliga "språket" hos signalerna i dendriterna, desto tidigare kan avvikelser upptäckas och målinriktad behandling utformas – i stället för att agera på måfå.
