Un team di ricercatori ha scoperto una forma unica di messaggistica cellulare che si verifica nel cervello umano che non era mai stata vista prima. Eccitante, la scoperta suggerisce che i nostri cervelli potrebbero essere unità di calcolo ancora più potenti di quanto pensassimo.
All’inizio dello scorso anno, ricercatori di istituti in Germania e Grecia hanno segnalato un meccanismo nelle cellule corticali esterne del cervello che produce da solo un nuovo segnale “graduale”, che potrebbe fornire ai singoli neuroni un altro modo per svolgere le loro funzioni logiche.
Misurando l’attività elettrica in sezioni di tessuto rimosse con un intervento chirurgico su pazienti epilettici e analizzando la loro struttura mediante microscopia a fluorescenza, i neurologi hanno scoperto che le singole cellule della corteccia non utilizzavano solo i soliti ioni sodio per “comunicare”, ma anche calcio.
Questa combinazione di ioni caricati positivamente dava il via a onde di polarizzazione mai viste prima, chiamate potenziali d’azione dendritici mediati dal calcio o dCaAP.
I cervelli, specialmente quelli umani, sono spesso paragonati ai computer. L’analogia ha i suoi limiti, ma su alcuni livelli svolgono operazioni in modo simile.
Entrambi utilizzano la potenza di una tensione elettrica per eseguire varie operazioni. Nei computer è sotto forma di un flusso piuttosto semplice di elettroni attraverso intersezioni chiamate transistor.
Nei neuroni, il segnale è sotto forma di un’onda di apertura e chiusura di canali che scambiano particelle cariche come sodio, cloruro e potassio. Questo impulso di ioni che scorre è chiamato potenziale d’azione.
Invece dei transistor, i neuroni gestiscono chimicamente questi messaggi all’estremità di rami chiamati dendriti.
“I dendriti sono fondamentali per comprendere il cervello perché sono al centro di ciò che determina il potere computazionale dei singoli neuroni“, ha detto il neuroscienziato della Humboldt University Matthew Larkum.
I dendriti sono i semafori del nostro sistema nervoso. Se un potenziale d’azione è sufficientemente significativo, può essere trasmesso ad altri nervi, che possono bloccare o trasmettere il messaggio.
Queste sono le basi logiche del nostro cervello – increspature di tensione che possono essere comunicate collettivamente in due forme: o un AND messaggio (se x ed y sono innescati, è passato il messaggio); o un messaggio OR (se x o y viene attivato, il messaggio viene passato).
Probabilmente, da nessuna parte questo è più complesso che nella sezione esterna densa e rugosa del sistema nervoso centrale umano; la corteccia cerebrale. Il secondo e il terzo strato più profondi sono particolarmente spessi, pieni di rami che svolgono funzioni di alto livello che associamo alla sensazione, al pensiero e al controllo motorio.
Sono stati i tessuti di questi strati che i ricercatori hanno esaminato da vicino, collegando le cellule a un dispositivo chiamato patch clamp somatodendritico per inviare potenziali attivi su e giù per ciascun neurone, registrando i loro segnali.
“C’è stato un momento ‘eureka’ in cui abbiamo visto per la prima volta i potenziali d’azione dendritici“, ha detto Larkum.
Per garantire che qualsiasi scoperta non fosse esclusiva delle persone con epilessia, hanno ricontrollato i loro risultati in una manciata di campioni prelevati da tumori cerebrali.
Sebbene il team avesse condotto esperimenti simili sui ratti, i tipi di segnali che hanno osservato nelle cellule umane erano molto diversi.
Ancora più importante, quando hanno somministrato alle cellule un bloccante del canale del sodio chiamato tetrodotossina, hanno comunque trovato un segnale. Solo bloccando il calcio tutto si è calmato.
Trovare un potenziale d’azione mediato dal calcio è abbastanza interessante. Ma modellare il modo in cui questo nuovo tipo di segnale sensibile funzionava nella corteccia ha rivelato una sorpresa.
Oltre alle funzioni logiche di tipo AND e OR, questi singoli neuroni potrebbero agire come intersezioni OR “esclusive” (XOR), che consentono un segnale solo quando un altro segnale viene classificato in un modo particolare.
“Tradizionalmente, si pensava che l’operazione XOR richiedesse una soluzione di rete“, hanno scritto i ricercatori.
È necessario lavorare di più per vedere come si comportano i dCaAP su interi neuroni e in un sistema vivente. Per non parlare se si tratta di una cosa umana, o se meccanismi simili si sono evoluti altrove nel regno animale.
La tecnologia guarda anche al nostro sistema nervoso per trovare ispirazione su come sviluppare hardware migliore; sapere che le nostre singole cellule hanno qualche asso nella manica potrebbe portare a nuovi modi per collegare in rete i transistor.
Il modo esatto in cui questo nuovo strumento logico schiacciato in una singola cellula nervosa si traduce in funzioni superiori è una domanda a cui i futuri ricercatori devono ancora rispondere.
Questa ricerca è stata pubblicata su Science.
