"Dauguma žmonių, jei apskritai galvoja apie tai, tikriausiai galvoja apie tai, ką daro didžiulis specializuotų, elektrai laidžių ląstelių tinklas, užimantis viršutinę jų kaukolės pusę. Ir, kiek tai yra, tai tiesa. Žmogaus smegenyse esantys 86 milijardai neuronų iš tiesų atlieka didžiąją dalį kognityvinio darbo, bet ne visą.
Juos palaiko dar trys smegenų ląstelių atmainos – mikroglija, oligodendrocitai ir astrocitai – bendrai vadinamos glialinėmis ląstelėmis (sutrumpinimas iš „neuroglia“, iš graikų kalbos reiškia „nerviniai klijai“).
Dar visai neseniai, kaip rodo šis paniekinantis pavadinimas, neurologai šios ląstelės buvo ignoruojamos. Tai pasikeitė. Glialinės ląstelės dabar yra madingos tyrimo temos. Rezultatai panaikino mintį, kad tai tik klijai.
Microglia yra sodininkai. Jie apkarpo ryšius tarp neuronų, kad tinklas būtų tvarkingas.
Oligodendrocitai, ilgą laiką atmesti, kaip tik elektrai laidžių skaidulų, vadinamų aksonais, per kuriuos bendrauja neuronai, izoliatoriai, vaidina lemiamą vaidmenį, keičiant aksoninius signalus.
O astrocitai, įdomiausia dalis, paverčia sinapses – jungtis, kuriose susitinka aksonai ir perduoda signalus – į biologinius tranzistorių atitikmenis, reguliuodami per juos sklindantį informacijos srautą.
Iš proto, iš proto
Taip pat šie rezultatai nėra vien akademinio susidomėjimo objektas. Netinkamai besielgiančios glijos ląstelės dabar yra susijusios su įvairiomis sąlygomis – nuo autizmo iki išsėtinės sklerozės iki obsesinio-kompulsinio sutrikimo. Taigi jų tyrimas turi svarbių medicininių pritaikymų. Jie taip pat domina tuos, kurie kuria smegenų simuliakrus, vadinamus dirbtiniais neuroniniais tinklais, nuo kurių priklauso mašininis mokymasis ir dirbtinis intelektas (AI). Taigi, nors ir lieka tiesa, kad neuronai yra kaukolės teatro žvaigždės, kitų aktorių vaidmenys sparčiai išaiškinami. Ir kartu su tuo tirštėja pjesės siužetas.
Svarbiausias dokumentas dėl mikroglijos buvo paskelbtas 2012 m. Jame Dorothy Schafer iš Harvardo medicinos mokyklos ir jos kolegos parodė, kad šios ląstelės geni sinapses smegenų vystymosi metu ir kad tai yra procesas, kuris tęsiasi iki dvidešimties metų vidurio.
Prieš tai mikroglijos buvo laikomos tik imuninės sistemos dalimi, svarbia patogenams ir ląstelių šiukšlėms pašalinti, bet iš esmės Pelenėmis. Daktaras Schaferis pavertė jas baliaus gražuolėmis. Jis išsiaiškino, kad, gaudydamos ir rydamos retai naudojamas sinapses, mikroglijos išlaiko smegenis lieknas ir aktyvias, supaprastina neuronų atliekamus skaičiavimus ir užtikrina, kad organas išliktų kuo efektyvesnis.
Oligodendrocitų apreiškimo momentas atėjo po dvejų metų, 2014 m. Iki šiol jų vaidmuo, nors ir gerai žinomas, taip pat atrodė niūrus. Oligodendrocitai gamina mieliną – baltymų ir lipidų mišinį, kurį jie apvynioja aplink aksonus, į ataugas, vadinamas apvalkalais, kad pagerintų šių skaidulų, aksonų, elektrinį laidumą.
Tačiau tais metais komanda, vadovaujama Armino Seidlo iš Vašingtono universiteto Sietle, atrado, kad oligodendrocitai naudoja mieliną, kad tiksliai sureguliuotų elektrinių signalų greitį aksonuose.
Pavyzdžiui, aksonai, nešantys signalus iš kairės ir dešinės ausies į tam tikrą klausos žievės dalį, skirsis, todėl gali prireikti skirtingo laiko, kol šie signalai atkeliaus. Tikslus oligodendrocitų derinimas (pasiekiamas koreguojant aksono skersmenį ir atstumus tarp mielino apvalkalo mazgų) tai kompensuoja, o tai reiškia, kad bet koks likęs skirtumas atspindi tikrąjį intervalą tarp garso patekimo į kiekvieną ausį. Ir tai yra tikrasis skirtumas, kurį smegenys naudoja, norint nustatyti, iš kur sklinda garsas.
Tačiau būtent naujai atrasti astrocitų gebėjimai yra tikrai jaudinantys tyrinėtojus. Šiose snaigės formos ląstelėse yra ūseliai, kurių kiekviena baigiasi priedėliu, vadinamu „galine pėda“. Kiekvienas astrocitas valdo savo teritoriją, o šie susilieja, sudarydami trimatę mozaiką per smegenis.
Galinės pėdos medžioja ir apgaubia sinapses, leisdamos astrocitams pasiklausyti pokalbių tarp neuronų ir tada, sustiprindami arba susilpnindami tam tikras sinapses, kontroliuoti neuronų tinkluose atliekamą skaičiavimą. Todėl dabar yra įtikinamų įrodymų, kad astrocitai vaidina lemiamą vaidmenį formuojant atmintį, ypač hipokampe, kuris sujungia svarbius trumpalaikius prisiminimus į ilgalaikius.
Biopsijos rodo, kad (priklausomai nuo smegenų srities) astrocitai tokiu būdu reguliuoja nuo 50% iki 90% žmogaus ir smegenų sinapsių. Taigi astrocitų įsikišimas yra taisyklė, o ne išimtis. Todėl daugelis tyrinėtojų dabar aiškiai kalba apie „trišalę sinapsę“ kaip standartinę smegenų sinapsę. Būtent šis trijų elementų bendra padėtis, kuri daro jį panašų į tranzistorių, o vienas elementas (astrocitas, tranzistoriaus „bazės“ jungties atitikmuo) reguliuoja signalų perdavimą tarp kitų dviejų (neuronų, tranzistoriaus „emiterio“ ir „kolektoriaus“ atitikmenų).
Be to, astrocitai ne tik kišasi į neuronų verslą. Atrodo, kad jie taip pat gali atlikti savo skaičiavimus. Ten, kur susitinka dvi astrocitų teritorijos, jų ūseliai gali susijungti iš galo ir sudaryti tinklus, beveik tokius pat sudėtingus, kaip ir neuronų. Tai leidžia jiems bendrauti, naudojant kalcio jonų impulsus, perduodamus iš vienos ląstelės ūselių į kitos.
2021 m. pradžioje Suomijos Tamperės universiteto mokslininkų komanda, vadovaujama Michaelio Barroso, naudojo genų modifikuotus astrocitus, kad parodytų, jog šie kalcio jonų signalai gali atlikti Būlio algebrą – skaitmeninio skaičiavimo kalbą. Visų pirma, komanda galėjo atlikti Būlio operacijas, vadinamas AND ir OR, kurių tikslumas siekė iki 90%. 2022 m. Erikas Petersonas iš Carnegie Mellon universiteto Pitsburge paskelbė matematinį įrodymą, rodantį, kad iš esmės astrocitų tinklas gali paleisti bet kokį įsivaizduojamą kompiuterinį algoritmą. Tai rodo, kad astrocitai gali sudaryti antrinį skaičiavimo tinklą, lygiagrečiai neuronų tinklui, kuris gali reguliuoti pirminį tinklą per trišales sinapses.
Taigi besiformuojantis smegenų vaizdas yra ne tokia aristokratija, kai neuronai žiūri iš aukšto į savo glijalines dalis, bet demokratinė ląstelių visuomenė, kuri kartu kuria mintis. 2022 m. Aleksejus Semjanovas ir Aleksejus Verchratskis iš Rusijos mokslų akademijos pavadino šią idėją „aktyvia aplinka“ smegenyse.
Viena iš aktyvios aplinkos interpretacijos pasekmių yra suvokimas, kad kai glija elgiasi netinkamai, kyla problemų. Daugybė įrodymų dabar rodo, kad disfunkcinė glia vaidina svarbų vaidmenį daugelyje neurologinių ir psichikos sutrikimų.
Autizmas yra vienas. 2017 m. Ishizuka Kanako iš Nagojos technologijos instituto Japonijoje nustatė ryšį tarp padidėjusios autizmo rizikos ir poros genetinių variantų, kurie, kaip žinoma, sutrikdo mikroglijoje baltymo, vadinamo CX3CR1, ekspresiją. 2020 m. Xu Zhixiang iš Scripps Research San Diege parodė, kaip įvairios baltymų sintezės problemos mikroglijoje sukelia į autizmą panašius simptomus pelėms.
Šiuo metu manoma, kad autizmu sergančių žmonių mikroglijos uždegimas nesugeba pakankamai kruopščiai iškirpti sinapsių smegenų vystymosi metu, todėl smegenys yra pernelyg susietos ir padidina jautrumą dirgikliams, tiek sensoriniams, tiek emociniams. Be to, poveikis, kurį nustatė daktaras Xu, neproporcingai paveikia pelių patinus – toks šališkumas, ko gero, neatsitiktinai taip pat yra būdingas žmonių autizmo bruožas.
Tuo tarpu per pastarąjį dešimtmetį keletas įrodymų, įskaitant smegenų vaizdavimą, pomirtinį ir genetinius tyrimus, parodė, kad disfunkciniai oligodendrocitai yra psichozės priežastis tokiomis sąlygomis kaip išsėtinė sklerozė, bipolinis sutrikimas ir šizofrenija. Toks disfunkcija sutrikdo mieliną ant aksonų, sutrikdydamas jų signalų laiką. Manoma, kad tai sukelia haliucinacijas – įsivaizduojamus vaizdus ir garsus – tai yra pagrindinis psichozės bruožas.
Taip pat yra įtikinamų įrodymų, kad netinkamai funkcionuojantys astrocitai turi įtakos nuotaikos sutrikimams, tokiems kaip depresija ir nerimas, ir neurodegeneracinėms ligoms, tokioms kaip Alzheimerio liga. Įspūdingiausia tai, kad 2021 m. Liamas O'Leary iš Monrealio McGill universiteto pranešė, kad depresinių savižudybių aukų smegenyse, palyginti su sveikomis smegenimis, gerokai sumažėjo astrocitų tankis prefrontalinės žievės (smegenų vykdomosios dalies), uodegos branduolyje. kuris padeda kontroliuoti į tikslą nukreiptą elgesį) ir talamus (kuris perduoda jutiminę informaciją į žievę).
Ir ne tik psichiatrai semiasi įkvėpimo iš naujai atrastų glia vaidmenų. Kompiuterių mokslininkai taip pat įsitraukia į šį veiksmą. Dirbtiniai neuroniniai tinklai yra pagrįsti ankstyvu neuronų veikimo modeliu, ir, nors vėlesni tyrimai parodė, kad tai buvo supaprastinta, šių tinklų struktūra į tarpusavyje susijusius neuronų analogų sluoksnius atspindi smegenų žievės struktūrą. Suprantama, todėl kai kurie kompiuterių mokslininkai bandė pridėti dirbtinių glia prie tinklų, kad pamatytų, ar jų veikimas pagerėja.
Tranzistorinis, perpus pigiau
Tikrai, veikimas pagerėja. Kelios grupės savarankiškai išsiaiškino, kad mikroglijų užduoties vykdymas, retai naudojamų sinapsių atsikratymas padeda dirbtiniams neuroniniams tinklams užkoduoti naują informaciją ir saugoti prisiminimus. Dabar svarbi sritis yra sugalvoti būdus, kaip sumažinti neuroninius tinklus.
Taip pat tiriami dirbtiniai astrocitai, taip pat dirbtinių neuronų-glia tinklų (ANGN) idėja. Jie imituoja trišales sinapses, naudodami astrocitų analogus, kad sustiprintų ir susilpnintų sinapses, reaguodamos į tai, kaip kinta tų sinapsių ugnies greitis, laikui bėgant. Bandant kartu su įprastais tinklais, ANGN nuolat lenkia juos. Kaip ir daugelyje žmogaus inžinerijos dalykų, atrodo, kad gamta ten pateko pirmiausia. [1]
· · ·1. "Neurons are not the only brain cells that think." The Economist, 23 Jan. 2023, p. NA.
Komentarų nėra:
Rašyti komentarą