گروه علمی: سلول‌های قشر بیرونی مغز قادر به تولید یک سیگنال درجه‌بندی‌شده جدید هستند که می‌تواند برای انجام عملکردهای منطقی خود، راه دیگری را به نورون‌های فردی ارائه دهد. به گزارش خبرآنلاین،دانشمندان شکل منحصربه‌فردی از پیام‌رسانی سلولی در مغز انسان را شناسایی کرده‌اند که نشان می‌دهد ما هنوز چقدر باید در مورد عملکرد اسرارآمیز درونی‌مان بیاموزیم.
∎
این کشف به این نکته اشاره دارد که مغز ما احتمالاً واحدهای محاسباتی قوی‌تری نسبت به آنچه ما پیش‌ازاین تصور می‌کردیم، داراست.
در سال ۲۰۲۰، محققان مؤسسه‌هایی در آلمان و یونان مکانیسمی را در سلول‌های قشر بیرونی مغز گزارش کردند که به‌تنهایی یک سیگنال درجه‌بندی‌شده جدید تولید می‌کند که می‌تواند برای انجام عملکردهای منطقی خود، راه دیگری را به نورون‌های فردی ارائه دهد.
با اندازه‌گیری فعالیت الکتریکی در بخش‌هایی از بافت برداشته‌شده در طول عمل جراحی بر روی بیماران صرعی، متخصصان مغز و اعصاب با استفاده از میکروسکوپ فلورسنت به تجزیه‌وتحلیل ساختار آن‌ها پرداختند و متوجه شدند که سلول‌های منفرد در قشر، نه‌تنها از یون‌های سدیم معمول، بلکه از کلسیم نیز برای برانگیختن استفاده می‌کنند.این ترکیب از یون‌های با بار مثبت، امواجی از ولتاژ را ایجاد می‌کنند که قبلاً دیده نشده بود و به آن پتانسیل‌های عمل دندریتیک با واسطه کلسیم( dCaAPs) گفته می‌شود.
مقایسه مغز انسان با رایانه
مغزها - به‌ویژه مغزهای انسان - اغلب با رایانه‌ها مقایسه می‌شوند. گرچه در این مقایسه، مغز انسان محدودیت‌هایی دارداما در برخی سطوح، وظایفش را به روش‌های مشابهی انجام می‌دهد. هر دو از توان یک ولتاژ الکتریکی برای انجام عملیات‌های مختلف استفاده می‌کنند.
این کار در رایانه‌ها به شکل جریان نسبتاً ساده‌ای از الکترون‌ها از طریق تقاطع‌هایی به نام ترانزیستور صورت می‌گیرد.
ولی در مغز انسان و در نورون‌ها، سیگنال به‌صورت موجی از کانال‌های باز و بسته است که به مبادله ذرات بارداری مثل سدیم، کلرید و پتاسیم می‌پردازند؛ این پالس یون‌های جاری پتانسیل عمل نامیده می‌شود و نورون‌ها در مغز (در نقش ترانزیستورها در رایانه) این پیام‌ها را به‌صورت شیمیایی در انتهای شاخه‌هایی به نام دندریت مدیریت می‌کنند.
متیو لارکوم، عصب‌شناس دانشگاه هومبولت دراین‌باره توضیح داد: «دندریت‌ها در درک مغز نقشی اساسی دارند، چرا که هسته اصلی چیزی هستند که قدرت محاسباتی تک نورون‌ها را تعیین می‌کنند.»
دندریت‌ها در حکم چراغ راهنمایی سیستم عصبی ما هستند. اگر یک پتانسیل عمل، به‌اندازه کافی قابل‌توجه باشد می‌تواند به اعصاب دیگر منتقل‌شده و پیام را مسدود یا منتقل کند.
این زیربنای منطقی مغز ماست؛ امواج ولتاژی که می‌توانند به‌طور جمعی به دو شکل ارتباط برقرار کنند: یا یک پیام AND (یعنی اگر x و y فعال شوند، پیام ارسال می‌شود.) و یا به شکل پیام OR (به این معنا که اگرو x یا y فعال شود، پیام ارسال خواهد شد.)
مسلماً، هیچ بخش از مغز، پیچیده‌تر از بخش بیرونی متراکم و چروکیده سیستم عصبی مرکزی انسان، یعنی قشر مغز نیست. لایه‌های عمیق‌تر دوم و سوم، ضخیم و مملو از شاخه‌هایی هستند که عملکردهای رده بالایی را انجام می‌دهند که با احساس، فکر و کنترل حرکتی مرتبطند
بافت‌هایی از این لایه‌ها بود که محققان را بر آن داشت تا نگاه دقیق‌تری به آن داشته باشند. آن‌ها سلول‌ها را به دستگاهی به نام گیره چسب سوماتودندریتیک متصل کردند تا پتانسیل‌های فعال را به بالا و پایین هر نورون ارسال کرده و سیگنال‌های آن‌ها را ثبت کنند.
لارکوم گفت: «لحظه‌ای استثنایی بود که اولین بار پتانسیل‌های عمل دندریتیک را دیدیم و ناگهان به درک عمیقی رسیدیم.»آن‌ها برای اطمینان از اینکه این اکتشاف مربوط به افراد مبتلابه صرع نیست، به بررسی دوباره نتایج به‌دست‌آمده در تعداد انگشت‌شماری از نمونه‌های گرفته‌شده از تومورهای مغزی پرداختند.اعضای این تیم آزمایش‌های مشابهی را روی موش‌ها انجام داده بودند؛ اما این بار انواع سیگنال‌هایی که در سلول‌های انسانی مشاهده کردند، بسیار متفاوت بود.
نقش عجیب کلسیم در آزمایش‌ها
مهم‌تر از همه وقتی محققان آن‌ها با یک مسدودکننده کانال سدیم به نام تترودوتوکسین به سراغ سلول‌ها رفتند، هنوز یک سیگنال پیدا کردند؛ و تنها با مسدود کردن توسط کلسیم همه سیگنال‌ها ساکت شدند.
یافتن پتانسیل عمل با واسطه کلسیم به‌اندازه کافی جالب است؛ اما مدل‌سازی نحوه عملکرد این نوع جدید سیگنال حساس در قشر مغز از یک شگفتی رونمایی کرد. علاوه بر توابع منطقی AND و OR، این نورون‌های منفرد می‌توانند به‌عنوان تقاطع‌های OR انحصاری (XOR) وارد عمل شوند؛ بدین معنا که تنها زمانی اجازه سیگنال را می‌دهند که سیگنال دیگری به شیوه‌ای خاص درجه‌بندی شود.
محققان دراین‌باره توضیح دادند: «به‌طور سنتی تصور می‌شد که عملیات XOR به یک راه‌حل شبکه‌ای نیاز داشته باشد.»
البته لازم است تا تحقیقات بیشتری انجام شود تا نحوه رفتار dCaAP ها در سراسر نورون‌ها و در یک سیستم زنده مشخص گردد. درعین‌حال باید دید که آیا این سیستم تنها مرتبط با انسان‌هاست و یا اینکه مکانیسم‌های مشابهی در قلمرو حیوانات تکامل‌یافته نیز وجود دارد؟
فناوری همچنین به دنبال الهام گرفتن از سیستم عصبی انسان در راستای چگونگی توسعه سخت‌افزار بهتر است. دانستن اینکه سلول‌های خودمان چند ترفند دیگر در آستین دارند، می‌تواند به کشف راه‌های جدیدی برای شبکه ترانزیستورها منجر شود.محققان باید در آینده به این سؤال پاسخ دهند که چگونه این ابزار منطقی جدید فشرده‌شده در یک سلول عصبی منفرد به عملکردهای بالاتر تبدیل می‌شود.
در سال ۲۰۲۰، محققان مؤسسه‌هایی در آلمان و یونان مکانیسمی را در سلول‌های قشر بیرونی مغز گزارش کردند که به‌تنهایی یک سیگنال درجه‌بندی‌شده جدید تولید می‌کند که می‌تواند برای انجام عملکردهای منطقی خود، راه دیگری را به نورون‌های فردی ارائه دهد.
با اندازه‌گیری فعالیت الکتریکی در بخش‌هایی از بافت برداشته‌شده در طول عمل جراحی بر روی بیماران صرعی، متخصصان مغز و اعصاب با استفاده از میکروسکوپ فلورسنت به تجزیه‌وتحلیل ساختار آن‌ها پرداختند و متوجه شدند که سلول‌های منفرد در قشر، نه‌تنها از یون‌های سدیم معمول، بلکه از کلسیم نیز برای برانگیختن استفاده می‌کنند.این ترکیب از یون‌های با بار مثبت، امواجی از ولتاژ را ایجاد می‌کنند که قبلاً دیده نشده بود و به آن پتانسیل‌های عمل دندریتیک با واسطه کلسیم( dCaAPs) گفته می‌شود.
مقایسه مغز انسان با رایانه
مغزها - به‌ویژه مغزهای انسان - اغلب با رایانه‌ها مقایسه می‌شوند. گرچه در این مقایسه، مغز انسان محدودیت‌هایی دارداما در برخی سطوح، وظایفش را به روش‌های مشابهی انجام می‌دهد. هر دو از توان یک ولتاژ الکتریکی برای انجام عملیات‌های مختلف استفاده می‌کنند.
این کار در رایانه‌ها به شکل جریان نسبتاً ساده‌ای از الکترون‌ها از طریق تقاطع‌هایی به نام ترانزیستور صورت می‌گیرد.
ولی در مغز انسان و در نورون‌ها، سیگنال به‌صورت موجی از کانال‌های باز و بسته است که به مبادله ذرات بارداری مثل سدیم، کلرید و پتاسیم می‌پردازند؛ این پالس یون‌های جاری پتانسیل عمل نامیده می‌شود و نورون‌ها در مغز (در نقش ترانزیستورها در رایانه) این پیام‌ها را به‌صورت شیمیایی در انتهای شاخه‌هایی به نام دندریت مدیریت می‌کنند.
متیو لارکوم، عصب‌شناس دانشگاه هومبولت دراین‌باره توضیح داد: «دندریت‌ها در درک مغز نقشی اساسی دارند، چرا که هسته اصلی چیزی هستند که قدرت محاسباتی تک نورون‌ها را تعیین می‌کنند.»
دندریت‌ها در حکم چراغ راهنمایی سیستم عصبی ما هستند. اگر یک پتانسیل عمل، به‌اندازه کافی قابل‌توجه باشد می‌تواند به اعصاب دیگر منتقل‌شده و پیام را مسدود یا منتقل کند.
این زیربنای منطقی مغز ماست؛ امواج ولتاژی که می‌توانند به‌طور جمعی به دو شکل ارتباط برقرار کنند: یا یک پیام AND (یعنی اگر x و y فعال شوند، پیام ارسال می‌شود.) و یا به شکل پیام OR (به این معنا که اگرو x یا y فعال شود، پیام ارسال خواهد شد.)
مسلماً، هیچ بخش از مغز، پیچیده‌تر از بخش بیرونی متراکم و چروکیده سیستم عصبی مرکزی انسان، یعنی قشر مغز نیست. لایه‌های عمیق‌تر دوم و سوم، ضخیم و مملو از شاخه‌هایی هستند که عملکردهای رده بالایی را انجام می‌دهند که با احساس، فکر و کنترل حرکتی مرتبطند
بافت‌هایی از این لایه‌ها بود که محققان را بر آن داشت تا نگاه دقیق‌تری به آن داشته باشند. آن‌ها سلول‌ها را به دستگاهی به نام گیره چسب سوماتودندریتیک متصل کردند تا پتانسیل‌های فعال را به بالا و پایین هر نورون ارسال کرده و سیگنال‌های آن‌ها را ثبت کنند.
لارکوم گفت: «لحظه‌ای استثنایی بود که اولین بار پتانسیل‌های عمل دندریتیک را دیدیم و ناگهان به درک عمیقی رسیدیم.»آن‌ها برای اطمینان از اینکه این اکتشاف مربوط به افراد مبتلابه صرع نیست، به بررسی دوباره نتایج به‌دست‌آمده در تعداد انگشت‌شماری از نمونه‌های گرفته‌شده از تومورهای مغزی پرداختند.اعضای این تیم آزمایش‌های مشابهی را روی موش‌ها انجام داده بودند؛ اما این بار انواع سیگنال‌هایی که در سلول‌های انسانی مشاهده کردند، بسیار متفاوت بود.
نقش عجیب کلسیم در آزمایش‌ها
مهم‌تر از همه وقتی محققان آن‌ها با یک مسدودکننده کانال سدیم به نام تترودوتوکسین به سراغ سلول‌ها رفتند، هنوز یک سیگنال پیدا کردند؛ و تنها با مسدود کردن توسط کلسیم همه سیگنال‌ها ساکت شدند.
یافتن پتانسیل عمل با واسطه کلسیم به‌اندازه کافی جالب است؛ اما مدل‌سازی نحوه عملکرد این نوع جدید سیگنال حساس در قشر مغز از یک شگفتی رونمایی کرد. علاوه بر توابع منطقی AND و OR، این نورون‌های منفرد می‌توانند به‌عنوان تقاطع‌های OR انحصاری (XOR) وارد عمل شوند؛ بدین معنا که تنها زمانی اجازه سیگنال را می‌دهند که سیگنال دیگری به شیوه‌ای خاص درجه‌بندی شود.
محققان دراین‌باره توضیح دادند: «به‌طور سنتی تصور می‌شد که عملیات XOR به یک راه‌حل شبکه‌ای نیاز داشته باشد.»
البته لازم است تا تحقیقات بیشتری انجام شود تا نحوه رفتار dCaAP ها در سراسر نورون‌ها و در یک سیستم زنده مشخص گردد. درعین‌حال باید دید که آیا این سیستم تنها مرتبط با انسان‌هاست و یا اینکه مکانیسم‌های مشابهی در قلمرو حیوانات تکامل‌یافته نیز وجود دارد؟
فناوری همچنین به دنبال الهام گرفتن از سیستم عصبی انسان در راستای چگونگی توسعه سخت‌افزار بهتر است. دانستن اینکه سلول‌های خودمان چند ترفند دیگر در آستین دارند، می‌تواند به کشف راه‌های جدیدی برای شبکه ترانزیستورها منجر شود.محققان باید در آینده به این سؤال پاسخ دهند که چگونه این ابزار منطقی جدید فشرده‌شده در یک سلول عصبی منفرد به عملکردهای بالاتر تبدیل می‌شود.