Bilim insanları, insan beyninde meydana gelen benzersiz bir hücre mesajlaşma biçimi tespit ederek, beynin gizemli iç işleyişi hakkında hala ne kadar çok şey öğrenmemiz gerektiğini ortaya koydu.
Heyecan verici olan bu keşif, beynimizin fark ettiğimizden çok daha güçlü hesaplama birimleri olabileceğine işaret ediyor.
2020 yılında, Almanya ve Yunanistan'daki enstitülerden araştırmacılar, beynin dış kortikal hücrelerinde kendi başına yeni bir 'dereceli' sinyal üreten ve tek tek nöronlara mantıksal işlevlerini yerine getirmeleri için başka bir yol sağlayabilecek bir mekanizma bildirdi.
Nörologlar, epileptik hastaların ameliyatı sırasında çıkarılan doku kesitlerindeki elektriksel aktiviteyi ölçerek ve floresan mikroskobu kullanarak yapılarını analiz ederek, korteksteki tek tek hücrelerin 'ateşlemek' için yalnızca olağan sodyum iyonlarını değil, aynı zamanda kalsiyumu da kullandığını buldular.
Pozitif yüklü iyonların bu kombinasyonu, kalsiyum aracılı dendritik aksiyon potansiyelleri veya dCaAP'ler olarak adlandırılan, daha önce hiç görülmemiş voltaj dalgalarını başlattı.
Beyinler – özellikle de insan beyni – sıklıkla bilgisayarlarla karşılaştırılır. Bu benzetmenin sınırları vardır, ancak bazı seviyelerde benzer şekillerde görev yaparlar.
Her ikisi de çeşitli işlemleri gerçekleştirmek için elektrik voltajının gücünü kullanır. Bilgisayarlarda bu, transistör adı verilen kesişme noktalarından geçen oldukça basit bir elektron akışı şeklindedir.
Nöronlarda sinyal, sodyum, klorür ve potasyum gibi yüklü parçacıkları değiştiren kanalların açılıp kapanması şeklindedir. İyon akışının bu atımına aksiyon potansiyeli denir.
Nöronlar bu mesajları transistörler yerine dendrit adı verilen dalların ucunda kimyasal olarak yönetir.
Humboldt Üniversitesi'nden sinirbilimci Matthew Larkum, Ocak 2020'de American Association for the Advancement of Science'ta Walter Beckwith'e verdiği demeçte, "Dendritler beyni anlamanın merkezinde yer alıyor çünkü tek nöronların hesaplama gücünü belirleyen şeyin merkezinde yer alıyorlar" dedi.
Dendritler sinir sistemimizin trafik ışıklarıdır. Bir aksiyon potansiyeli yeterince önemliyse, mesajı engelleyebilecek veya iletebilecek diğer sinirlere aktarılabilir.
Bu, beynimizin mantıksal temelidir – iki şekilde toplu olarak iletilebilen voltaj dalgaları: ya bir VE mesajı (x ve y tetiklenirse, mesaj iletilir); ya da bir VEYA mesajı (x veya y tetiklenirse, mesaj iletilir).
Muhtemelen, bu durum hiçbir yerde insan merkezi sinir sisteminin yoğun, buruşuk dış bölümü olan serebral korteksten daha karmaşık değildir. Daha derindeki ikinci ve üçüncü katmanlar özellikle kalındır ve duyum, düşünce ve motor kontrol ile ilişkilendirdiğimiz yüksek düzey işlevleri yerine getiren dallarla doludur.
Araştırmacılar bu katmanlardaki dokulara yakından bakarak, hücreleri somatodendritik yama klempi adı verilen bir cihaza bağladılar ve her bir nörona yukarı ve aşağı aktif potansiyeller göndererek sinyallerini kaydettiler.
Larkum, "Dendritik aksiyon potansiyellerini ilk kez gördüğümüzde bir 'eureka' anı yaşadık" diyor.
Keşiflerin epilepsili insanlara özgü olmadığından emin olmak için, beyin tümörlerinden alınan bir avuç örnekte sonuçlarını iki kez kontrol ettiler.
Ekip benzer deneyleri fareler üzerinde gerçekleştirmiş olsa da, insan hücrelerinde vızıldadığını gözlemledikleri sinyal türleri çok farklıydı.
Daha da önemlisi, hücrelere tetrodotoksin adı verilen bir sodyum kanalı engelleyicisi verdiklerinde, yine de bir sinyal buldular. Sadece kalsiyumu bloke ettiklerinde her şey sessizleşti.
Kalsiyumun aracılık ettiği bir aksiyon potansiyeli bulmak yeterince ilginç. Ancak bu hassas yeni sinyal türünün kortekste çalışma şeklini modellemek bir sürpriz ortaya çıkardı.
Mantıksal VE ve VEYA tipi işlevlere ek olarak, bu bireysel nöronlar, yalnızca başka bir sinyal belirli bir şekilde derecelendirildiğinde bir sinyale izin veren 'özel' VEYA (XOR) kesişimleri olarak hareket edebilir.
Araştırmacılar, "Geleneksel olarak, XOR işleminin bir ağ çözümü gerektirdiği düşünülmektedir" diye yazdı.
dCaAP'lerin tüm nöronlarda ve canlı bir sistemde nasıl davrandığını görmek için daha fazla çalışma yapılması gerekiyor. Bunun insana özgü bir şey olup olmadığından ya da benzer mekanizmaların hayvanlar aleminin başka yerlerinde de evrimleşip evrimleşmediğinden bahsetmeye bile gerek yok.
Teknoloji, daha iyi donanımın nasıl geliştirileceği konusunda ilham almak için kendi sinir sistemimize de bakıyor; kendi bireysel hücrelerimizin kollarında birkaç numara daha olduğunu bilmek, transistörleri ağa bağlamak için yeni yollara yol açabilir.
Tek bir sinir hücresine sıkıştırılan bu yeni mantık aracının daha yüksek işlevlere nasıl dönüşeceği, gelecekteki araştırmacıların yanıtlaması gereken bir soru.