کشف نوع جدیدی از سیگنال در مغز

پژوهشگرانی از مؤسسه‌های پژوهشی آلمان و یونان مکانیسمی را در سلول‌های قشر مغز پیدا کردند که به‌تنهایی سیگنال شیب‌دار جدیدی را تولید می‌کند؛ سیگنالی که می‌تواند روش دیگری برای عملکردهای منطقی در نورون‌های انفرادی باشد. این دانشمندان علوم اعصاب، با اندازه‌گیری فعالیت الکتریکی در بخش‌هایی از بافت مغز که در جریان جراحی بیماران مبتلا به صرع از مغز آن‌ها برداشته شده بود و تجزیه‌و‌تحلیل ساختار آن‌ها با استفاده از میکروسکوپ فلورسنت، دریافتند که سلول‌های انفرادی در قشر مغز نه‌تنها از یون‌های سدیم معمول بلکه از یون‌های کلسیم نیز برای برانگیخته‌شدن استفاده می‌کنند. این ترکیب از یون‌های دارای بار مثبت، امواج ولتاژی را تولید می‌کرد که تا پیش از این هرگز دیده نشده بود و پژوهشگران آن را «پتانسیل‌های عمل دندریتی تسهیل‌شده به‌وسیله‌ی کلسیم» یا dCaAPs نامیدند.

مغز انسان‌ها اغلب با کامیپوتر مقایسه می‌شود. این مقایسه محدودیت‌های خود را دارد اما آن‌ها در برخی سطوح، وظایف را به روش‌های مشابهی انجام می‌دهند. هر دو از ولتاژ الکتریکی برای انجام کارهای مختلف استفاده می‌کنند. در کامپیوتر، این به شکل جریان نسبتا ساده‌ی الکترون‌ها از تقاطع‌هایی است که ترانزیستور نامیده می‌شوند. در نورون‌ها، سیگنال به شکل موجی از باز و بسته‌شدن کانال‌هایی است که ذرات بارداری مانند سدیم، کلرید، و پتاسیم را مبادله می‌کنند. به این پالس یون‌هایِ در جریان، پتانسیل عمل گفته می‌شود. نورون‌ها پیام‌ها را به‌جای ترانزیستور در انتهای شاخه‌هایی که دندریت نامیده می‌شود، مدیریت می‌کنند. متیو لارکوم، متخصص علوم اعصاب دانشگاه هامبولت می‌گوید:

دندریت‌ها ازنظر درک مغز اهمیت حیاتی دارند زیرا در مرکز فرآیندی قرار دارند که تعیین‌کننده‌ی قدرت محاسباتی نورون‌های انفرادی است.

دندریت‌ها چراغ‌های راهنمایی سیستم عصبی ما هستند. اگر پتانسیل عمل به قدر کافی بزرگ باشد، می‌تواند به اعصاب دیگر منتقل شود و از این راه پیام‌های عصبی مهار یا عبور داده می‌شوند. این فرایند پایه‌های منطقی مغز ما تشکیل می‌دهد؛ امواجی از ولتاژ که می‌تواند به دو صورت برقرار شود: یا یک پیام AND (اگر x و y برانگیخته شدند، پیام منتقل شود)؛ یا یک پیام OR (اگر x یا y برانگیخته شود، پیام منتقل شود).

لحظه‌ای که ما برای اولین‌بار پتانسیل‌های عمل دندریتی را مشاهده کردیم، برای ما یک لحظه‌ی یورکا بود (اشاره به حکایت ارشمیدس که وقتی یک مسئله علمی را کشف کرد با فریاد یورکا یورکا (یعنی یافتم) از حمام بیرون پرید).

پژوهشگران برای اطمینان از اینکه نتایج مشاهده‌شده، خاصِ افراد مبتلا به صرع نیست، نتایج خود را نمونه‌هایی که از بافت تومورهای مغزی گرفته شده بود، تکرار کردند. آن‌ها آزمایش‌های مشابهی را نیز روی موش‌های صحرایی انجام دادند، ولی سیگنال‌های که در سلول‌های عصبی مغز انسان دیده شده بود، با سیگنال‌های مشاهده‌شده در سلول‌های مغز موش تفاوت زیادی داشت. مهم‌تر اینکه، وقتی پژوهشگران سلول‌ها را با یک مسدودکننده‌ی کانال کلسیم به‌نام تترودوتوکسین تیمار کردند، باز هم سیگنال را مشاهده کردند. تنها با مهار کلسیم بود که سیگنال‌ها خاموش شدند.

یافتن یک پتانسیل عمل تسهیل‌شده به‌وسیله‌ی کلسیم به اندازه کافی جالب است اما مدل‌سازی نحوه‌ی عملکرد این نوع جدید از سیگنال در قشر مغز حیرت‌انگیز است. این نورون‌ها، علاوه‌بر عملکردهای نوع AND و OR، می‌توانند به‌عنوان تقاطع منحصر‌به‌فرد یا عملگر XOR عمل کنند که تنها زمانی اجازه‌ی عبور یک سیگنال را می‌دهد که سیگنال دیگر به روش خاصی درجه‌بندی شده باشد. پژوهشگران در مقاله‌ی خود نوشتند:

به‌طور معمول تصور می‌شد که عملیات XOR نیاز به راه‌حل شبکه داشته باشد.

برای بررسی نحوه‌ی رفتار پتانسیل‌های عمل تازه کشف‌شده در سرتاسر نورون‌ها و نیز در بدن موجود زنده باید پژوهش‌های بیشتری انجام شود. همچنین برای بررسی این موضوع که آیا این ویژگی خاص انسان‌ها است یا مکانیسم مشابهی در جانوران دیگر نیز تکامل پیدا کرده است.

فناوری نیز به‌دنبال بررسی سیستم عصبی ما است تا از عملکرد آن برای توسعه‌ی سخت‌افزارهای بهتر استفاده کند؛ دانستن اینکه سلول‌های انفرادی ما دارای قابلیت‌های دیگری نیز هستند، می‌تواند منجر به پیدا کردن روش‌های جدیدی برای طراحی ترانزیستور شبکه شود.

اینکه دقیقا چگونه ابزار منطقی جدید که در یک سلول واحد جا داده شده است، به عملکردهای بالاتر تعبیر می‌شود، سوالی است که پژوهشگران در آینده باید به آن بپردازند.

نتایج این پژوهش در مجله‌ی Science منتشر شده است.