Πώς ο ανθρώπινος εγκέφαλος επεξεργάζεται και αποθηκεύει την κίνηση - μελέτη

Χάρη στον εγκέφαλο, τα ανθρώπινα σώματα κινούνται από τη στιγμή που βρίσκονται στη μήτρα καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής τους, επιτρέποντάς τους να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους. Κινούμε τα χέρια μας για να αγγίξουμε, να πιάσουμε αντικείμενα και να κάνουμε χειρονομίες. Κινούμε τα χείλη μας για να χαμογελάσουμε ή να μιλήσουμε. Κινούμε τα μάτια μας για να δούμε και τα πόδια μας για να περπατήσουμε, να πηδήξουμε και να χορέψουμε.

Οι επιστήμονες δεν γνώριζαν μέχρι τώρα πώς ο εγκέφαλός μας θυμάται αυτό το μεγάλο εύρος κινήσεων και μαθαίνει νέες ή πώς υπολογίζει πώς να κινηθεί ώστε να μπορούμε να πιάσουμε ένα ποτήρι νερό χωρίς να το ρίξουμε ή να μην το σπάσουμε.

Η μελέτη

Η καθηγήτρια Jackie Schiller από την Ιατρική Σχολή Rappaport στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Technion-Israel στη Χάιφα και η ομάδα της εστίασαν στον εγκέφαλο σε επίπεδο μονού νευρώνα για να εξηγήσουν αυτό το μυστήριο. Βρήκαν ότι ο υπολογισμός συμβαίνει όχι μόνο στην αλληλεπίδραση μεταξύ των νευρικών κυττάρων αλλά και μέσα σε κάθε μεμονωμένο νευρώνα.

Ανακάλυψαν ότι κάθε ένα από αυτά τα μικροσκοπικά κύτταρα δεν είναι ένας απλός διακόπτης, αλλά μάλλον μια περίπλοκη υπολογιστική μηχανή όπως ένας μικροσκοπικός βιολογικός υπολογιστής. Η ανακάλυψή τους μόλις δημοσιεύτηκε στο έγκριτο περιοδικό Science με τον τίτλο «Dynamic compartmental computations in tuft δενδρίτες των νευρώνων του στρώματος 5 κατά τη διάρκεια της κινητικής συμπεριφοράς».

Τι σημαίνουν τα ευρήματα

Αυτή η αποκάλυψη έχει τη δυνατότητα όχι μόνο να αυξήσει την κατανόησή μας για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος, αλλά και να ρίξει επιπλέον φως σε σοβαρές νευρολογικές καταστάσεις που κυμαίνονται από τη νόσο του Πάρκινσον έως τον αυτισμό.

Αναμένεται επίσης να προωθήσει τη μηχανική μάθηση, η οποία βασίζεται στην ιδέα ότι οι μηχανές είναι σε θέση να μαθαίνουν και να προσαρμόζονται μέσω της εμπειρίας και να προσφέρουν έμπνευση για νέες «αρχιτεκτονικές».

Πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος;

Η κίνηση ελέγχεται από τον πρωτεύοντα κινητικό φλοιό του εγκεφάλου, όπου οι επιστήμονες είναι σε θέση να εντοπίσουν ακριβώς τους νευρώνες που ενεργοποιούνται κάθε στιγμή για να παράγουν την κίνηση που βλέπουμε. Η ομάδα της Schiller ήταν η πρώτη που πλησίασε ακόμη περισσότερο, εξετάζοντας τη δραστηριότητα όχι ολόκληρου του νευρώνα ως ενιαίας μονάδας αλλά των τμημάτων του.

Κάθε νευρώνας έχει διακλαδισμένες προεκτάσεις που ονομάζονται δενδρίτες και βρίσκονται σε στενή επαφή με τα άκρα (που ονομάζονται άξονες) άλλων νευρικών κυττάρων, επιτρέποντας την επικοινωνία μεταξύ τους. Ένα σήμα ταξιδεύει από τους δενδρίτες στο σώμα του κυττάρου και στη συνέχεια μεταφέρεται προς τα εμπρός μέσω του άξονα. Να σημειωθεί πως ο αριθμός και η δομή των δενδριτών ποικίλλει πολύ μεταξύ των νευρικών κυττάρων.

Οι συγκεκριμένοι νευρώνες στους οποίους εστίασε η ομάδα Technion ήταν οι μεγαλύτεροι πυραμιδικοί νευρώνες του φλοιού. Αυτά τα κύτταρα, που είναι γνωστό ότι εμπλέκονται σημαντικά στην κίνηση, έχουν ένα μεγάλο δενδριτικό δέντρο με πολλά κλαδιά και υποκλάδια.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι αυτά τα κλαδιά και τα υποκλάδια δεν μεταδίδουν απλώς πληροφορίες. Κάθε υποκλάδιο εκτελεί έναν υπολογισμό σχετικά με τις πληροφορίες που λαμβάνει και μεταβιβάζει το αποτέλεσμα στον μεγαλύτερο υποκλάδιο. Στη συνέχεια, εκτελεί έναν υπολογισμό σχετικά με τις πληροφορίες που λαμβάνει και τις μεταβιβάζει.

Επιπλέον, πολλαπλοί δενδρίτες μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους για να κάνουν το συνδυασμένο υπολογιστικό τους προϊόν πιο έντονο, με αποτέλεσμα έναν περίπλοκο υπολογισμό που εκτελείται σε κάθε μεμονωμένο νευρώνα. Για πρώτη φορά, η ομάδα Technion έδειξε ότι ο νευρώνας είναι διαμερισματοποιημένος και ότι οι κλάδοι του εκτελούν ανεξάρτητους υπολογισμούς.

Αυτή η περίπλοκη συμφωνία που παίζει στον εγκέφαλό μας είναι αυτό που μάς δίνει τη δυνατότητα να μαθαίνουμε και να εκτελούμε άπειρες διαφορετικές, πολύπλοκες και ακριβείς κινήσεις, πρόσθεσε η Schiller.

Αρκετά είδη νευροεκφυλιστικών και νευροαναπτυξιακών διαταραχών είναι πιθανό να συνδέονται με αλλαγές στην ικανότητα του νευρώνα να επεξεργάζεται δεδομένα. Στη νόσο του Πάρκινσον, για παράδειγμα, έχει παρατηρηθεί ότι το δενδριτικό δέντρο υφίσταται ανατομικές και φυσιολογικές αλλαγές. Υπό το φως των νέων ανακαλύψεων της ομάδας Technion, είναι σαφές ότι ως αποτέλεσμα αυτών των αλλαγών, η ικανότητα του νευρώνα να εκτελεί παράλληλους υπολογισμούς μειώνεται.

Στον αυτισμό, μπορεί να μεταβάλλεται η διεγερσιμότητα των δενδριτικών κλάδων, με αποτέλεσμα τα πολυάριθμα αποτελέσματα που σχετίζονται με την πάθηση. Αυτή η νέα κατανόηση του πώς λειτουργούν οι νευρώνες ανοίγει νέα ερευνητικά μονοπάτια για καλύτερη θεραπεία διαφόρων ασθενειών.

Τα ευρήματά τους μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως έμπνευση για την κοινότητα της μηχανικής μάθησης. Τα βαθιά νευρωνικά δίκτυα προσπαθούν να δημιουργήσουν λογισμικό που μαθαίνει και λειτουργεί κάπως σαν ανθρώπινος εγκέφαλος, αλλά είναι πρωτόγονα σε σύγκριση με έναν ζωντανό εγκέφαλο. Η καλύτερη κατανόηση του πώς λειτουργεί πραγματικά ο εγκέφαλός μας μπορεί να βοηθήσει στο σχεδιασμό πιο περίπλοκων νευρωνικών δικτύων, επιτρέποντάς τους να εκτελούν πιο σύνθετες εργασίες.