Τα «τρανζίστορ» του μυαλού: Οι νευρώνες δεν είναι τα μόνα εγκεφαλικά κύτταρα που σκέφτονται.
Τα «τρανζίστορ» του μυαλού: Οι νευρώνες δεν είναι τα μόνα εγκεφαλικά κύτταρα που σκέφτονται.
Οι ανακαλύψεις των τελευταίων ετών αλλάζουν εκ θεμελίων την εικόνα για την ανθρώπινη νόηση.
Όσοι αναρωτιούνται για τον βιολογικό μηχανισμό της ανθρώπινης σκέψης, πιθανότατα πιστεύουν πως η συνείδηση εδράζεται μόνο μέσα στο περίπλοκο δίκτυο νευρώνων στο κρανίο τους.
Και, ως ένα βαθμό, αυτό είναι αλήθεια: οι 86 δισεκατομμύρια νευρώνες, ηλεκτρικά αγώγιμα κύτταρα στον ανθρώπινο εγκέφαλο, διεκπεραιώνουν πολλές γνωστικές διεργασίες. Αλλά όχι όλες.
Το διανοητικό έργο υποστηρίζουν και άλλοι τρεις τύποι κυττάρων, με σημαντικές ιδιότητες που μέχρι πρόσφατα μας ήταν άγνωστες: τα μικρογλοία, τα αστροκύτταρα και οι ολιγοδενδρίτες.
Τα νευρογλοιακά κύτταρα, όπως ονομάζονται στο σύνολό τους, είχαν ελαφρώς παραμεληθεί από την επιστήμη της νευρολογίας, αλλά αυτό έχει πλέον αλλάξει αφού οι ερευνητές συνειδητοποίησαν πως δεν λειτουργούν απλώς ως εγκεφαλική «κόλλα».
Τα μικρογλοία λειτουργούν ως «κηπουροί» της σκέψης. «Κλαδεύουν» τους συνδέσμους μεταξύ των νευρώνων για να διατηρήσουν το δίκτυο σε τάξη. Οι ολιγοδενδρίτες, που επί μακρόν απορρίπτονταν ως απλοί «μονωτές» των ηλεκτρικά αγώγιμων ινών μέσω των οποίων επικοινωνούν οι νευρώνες, παίζουν κρίσιμο ρόλο στη ρύθμιση των σημάτων. Και τα αστροκύτταρα, τα πιο ενδιαφέροντα από όλα, μετατρέπουν τις συνάψεις σε βιολογικά «τρανζίστορ», ρυθμίζοντας τη ροή των πληροφοριών στις διασταυρώσεις των αξόνων που μεταφέρουν τα σήματα.
Οι διαπιστώσεις αυτές δεν έχουν απλώς ακαδημαϊκό ενδιαφέρον, αφορούν την καθημερινότητά μας: τα νευρογλοιακά κύτταρα που δεν συμπεριφέρονται φυσιολογικά εμπλέκονται σε μια σειρά από καταστάσεις, διαταραχές και παθήσεις: από τον αυτισμό έως την πολλαπλή σκλήρυνση και την ιδεοψυχαναγκαστική διαταραχή. Η μελέτη τους συνδέεται επομένως με σημαντικές ιατρικές εφαρμογές.
Ενδιαφέρουν επίσης όσους σχεδιάζουν τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, από τα οποία εξαρτάται η μηχανική μάθηση και η τεχνητή νοημοσύνη.
Οι «κηπουροί»
Για τα μικρογλοία, μια κρίσιμη εργασία δημοσιεύθηκε το 2012. Σε αυτήν, η Ντόροθι Σέιφερ της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ και οι συνεργάτες της έδειξαν ότι τα κύτταρα αυτά «κλαδεύουν» τις συνάψεις κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του εγκεφάλου και ότι πρόκειται για διαδικασία που συνεχίζεται μέχρι τα μέσα της τρίτης δεκαετίας στην ανάπτυξη ενός ατόμου.
Πριν από αυτό, τα μικρογλοία θεωρούνταν απλώς μέρος του
ανοσοποιητικού συστήματος, σημαντικό για την απομάκρυνση παθογόνων
μικροοργανισμών και κυτταρικών υπολειμμάτων. Η Δρ Σέιφερ ήταν εκείνη που
διαπίστωσε ότι, κυνηγώντας και καταπίνοντας τις σπάνια
χρησιμοποιούμενες συνάψεις, τα μικρογλοία διατηρούν σε «φόρμα» το μυαλό,
εξορθολογίζοντας τους υπολογισμούς που εκτελούν οι νευρώνες και
διασφαλίζοντας ότι ο εγκέφαλος παραμένει όσο πιο αποδοτικός γίνεται.
Θα ακούγαμε «λάθος»
Η αποκάλυψη για τους ολιγοδενδρίτες ήρθε δύο χρόνια αργότερα, το 2014. Μέχρι τότε, ο ρόλος τους, αν και γνωστός, φαινόταν επίσης απλούστερος. Τα κύτταρα αυτά παράγουν μυελίνη, ένα μείγμα πρωτεϊνών και λιπιδίων το οποίο τυλίγουν γύρω από τους άξονες, σε εκφύσεις που ονομάζονται χιτώνες, για να βελτιώσουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα των ινών αυτών.
Εκείνη τη χρονιά, μια ομάδα με επικεφαλής τον Αρμιν Σέιντλ, στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, ανακάλυψε ότι οι ολιγοδενδρίτες χρησιμοποιούν τη μυελίνη για να ρυθμίζουν την ταχύτητα των ηλεκτρικών σημάτων στους άξονες.
Για παράδειγμα, οι άξονες που μεταφέρουν σήματα από το αριστερό και το δεξί αυτί σε συγκεκριμένο τμήμα του ακουστικού φλοιού διαφέρουν σε μήκος, οπότε τα σήματα χρειάζονται διαφορετικό χρόνο για να φτάσουν. Η λεπτομερής ρύθμιση (που επιτυγχάνεται με την προσαρμογή της διαμέτρου του άξονα και των αποστάσεων μεταξύ των κόμβων του περιβλήματος μυελίνης) αντισταθμίζει αυτό το φαινόμενο, και η διαφορά που απομένει αντανακλά την πραγματική χρονική διαφορά της άφιξης του ήχου σε κάθε αυτί. Αυτή την πραγματική διαφορά χρησιμοποιεί ο εγκέφαλος για να εντοπίσει από πού προέρχεται κάθε ήχος.
Αποθήκευση αναμνήσεων
Είναι όμως οι πρόσφατα ανακαλυφθείσες ιδιότητες των αστροκυττάρων που συναρπάζουν τους ερευνητές. Αυτά τα κύτταρα «χιονονιφάδες» διαθέτουν έλικες, κάθε μία από τις οποίες καταλήγει σε ένα «πόδι». Κάθε αστροκύτταρο ελέγχει μια δική του περιοχή, και όλα μαζί σχηματίζουν ένα «τρισδιάστατο μωσαϊκό» στον εγκέφαλο.
Τα «πόδια» των αστροκυττάρων εντοπίζουν και περιβάλλουν τις συνάψεις, γεγονός που τους επιτρέπει να «κρυφακούν» την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των νευρώνων και, στη συνέχεια, ενισχύοντας ή αποδυναμώνοντας συγκεκριμένες συνάψεις, να ελέγχουν τους υπολογισμούς που γίνονται μέσα στα νευρωνικά δίκτυα. Υπάρχουν πλέον αδιάσειστα στοιχεία ότι τα αστροκύτταρα διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στο, σχηματισμό της μνήμης, ιδίως στον ιππόκαμπο, ο οποίος παγιώνει τις βραχυπρόθεσμες μνήμες σε μακροπρόθεσμες.
Βιολογικά «τρανζίστορ»
Βιοψίες δείχνουν ότι (ανάλογα με την περιοχή του εγκεφάλου) τα αστροκύτταρα ρυθμίζουν το 50% έως 90% των συνάψεων του ανθρώπινου εγκεφάλου. Η ανάμειξη των αστροκυττάρων είναι επομένως ο κανόνας και όχι κάποια εξαίρεση. Ετσι, πολλοί ερευνητές μιλούν πλέον ανοιχτά για την «τριμερή σύναψη» ως την τυπική σύναψη στον εγκέφαλο. Είναι αυτή η σύνθεση τριών στοιχείων που μετατρέπει μια σύναψη σε «τρανζίστορ», με το ένα μέρος (το αστροκύτταρο, το ισοδύναμο της σύνδεσης “βάσης” του τρανζίστορ) να ρυθμίζει τη διέλευση των σημάτων μεταξύ των άλλων δύο (των νευρώνων, τα ισοδύναμα του μέρους που συλλέγει, και του μέρους που εκπέμπει σήματα).
Τα αστροκύτταρα δεν παρεμβαίνουν απλώς στη δράση των νευρώνων, αλλά είναι και σε θέση να εκτελούν τους δικούς τους υπολογισμούς. Στα «σύνορα» των περιοχών δύο αστροκυττάρων, οι έλικές τους μπορούν να συνδεθούν από άκρη σε άκρη, επιτρέποντάς τους να σχηματίσουν δίκτυα σχεδόν εξίσου πολύπλοκα με εκείνα των νευρώνων. Αυτό τους επιτρέπει να επικοινωνούν χρησιμοποιώντας παλμούς ιόντων ασβεστίου που περνούν από την έλικα του ενός κυττάρου στην έλικα του άλλου.
Μπορούν να «τρέξουν» αλγόριθμους υπολογιστών
Στις αρχές του 2021, ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Τάμπερε, στη Φινλανδία, με επικεφαλής τον Μίκαελ Μπάρος, χρησιμοποίησε γονιδιακά τροποποιημένα αστροκύτταρα για να δείξει ότι αυτά τα σήματα ιόντων ασβεστίου μπορούν να εκτελέσουν μέχρι και πράξεις άλγεβρας Boole, που είναι η «γλώσσα» των υπολογιστών. Η ομάδα του Μπάρος κατάφερε να εκτελέσει τις πράξεις Boole «και» και «ή» με ποσοστό ακρίβειας έως και 90%.
Το 2022, ο Ερικ Πίτερσον του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon, στο Πίτσμπουργκ, απέδειξε μαθηματικά πως, κατ’ αρχήν, ένα δίκτυο αστροκυττάρων μπορεί να εκτελέσει οποιονδήποτε αλγόριθμο υπολογιστή μπορεί να φανταστεί κανείς. Αυτό υποδηλώνει ότι τα αστροκύτταρα μπορούν να σχηματίσουν ένα δευτερεύον υπολογιστικό δίκτυο, παράλληλο με αυτό των νευρώνων, που είναι σε θέση να ρυθμίζει το πρωτεύον δίκτυο μέσω τριμερών συνάψεων.
Στη νέα εικόνα για τον εγκέφαλο, οι νευρώνες δεν είναι «ανώτεροι» από τα νευρογλοιακά κύτταρα και όλα μαζί συνεργάζονται για να παραχθούν οι σκέψεις.
Το 2022 ο Αλεξέι Σεμιάνοφ και ο Αλεξέι Βερκράτσκι της Ρωσικής Ακαδημίας
Επιστημών ονόμασαν αυτή την ιδέα «ενεργό κύκλο» του εγκεφάλου.
Ενα συμπέρασμα αυτής της ανάλυσης είναι πως, όταν τα νευρογλοιακά κύτταρα δεν συμπεριφέρονται σωστά, υπάρχει αντίκτυπος σε πολλές νευρολογικές καταστάσεις και ψυχιατρικές παθήσεις. Το 2017, η Ισιζούκα Κανάκο, του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Ναγκόγια στην Ιαπωνία, εντόπισε έναν συσχετισμό του φάσματος του αυτισμού και ένα ζεύγος γενετικών παραλλαγών που επηρεάζουν τα μικρογλοία.
Υπερσυνδεδεμένοι εγκέφαλοι
Η τρέχουσα θεωρία είναι ότι στα άτομα στο φάσμα του αυτισμού τα μικρογλοία δεν «κλαδεύουν» το ίδιο ποσοστό συνάψεων στη φάση της ανάπτυξης του εγκεφάλου, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται «υπερσυνδεδεμένοι εγκέφαλοι», με αυξημένη ευαισθησία στα ερεθίσματα, τόσο τα αισθητηριακά όσο και τα συναισθηματικά.
Την τελευταία δεκαετία, απεικονιστικές, μεταθανάτιες και γενετικές μελέτες δείχνουν πως οι δυσλειτουργικοί ολιγοδενδρίτες «αποτελούν την αιτία της ψύχωσης σε καταστάσεις όπως η σκλήρυνση κατά πλάκας, η διπολική διαταραχή και η σχιζοφρένεια», αναφέρει στην εκτενή ανάλυσή του ο Economist.
Ψύχωση και αυτοκτονία
Η υπεύθυνη δυσλειτουργία διαταράσσει τη μυελίνη στους άξονες, διαταράσσοντας τον συγχρονισμό των σημάτων τους. Επιστήμονες εικάζουν πως η κατάσταση αυτή μπορεί να οδηγεί σε ψευδαισθήσεις –φανταστικές εικόνες και ήχους- που αποτελούν το χαρακτηριστικό γνώρισμα της ψύχωσης.
Υπάρχουν επίσης αδιάσειστα στοιχεία ότι τα αστροκύτταρα που παρουσιάζουν δυσλειτουργία παίζουν ρόλο σε διαταραχές της διάθεσης, όπως η κατάθλιψη και το άγχος, και σε νευροεκφυλιστικές ασθένειες όπως η νόσος Αλτσχάιμερ.
Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο ήρθε το 2021, όταν ο Λίαμ Ο’Λίρι από το Πανεπιστήμιο McGill του Μόντρεαλ ανέφερε πως οι εγκέφαλοι καταθλιπτικών ανθρώπων που αυτοκτόνησαν, είχαν αισθητά μειωμένη πυκνότητα αστροκυττάρων, σε σύγκριση με φαινομενικά «υγιείς εγκεφάλους», σε τμήματα του προμετωπιαίου φλοιού (το εκτελεστικό όργανο του εγκεφάλου), του κερκοφόρου πυρήνα (που βοηθά στον έλεγχο της στοχευμένης συμπεριφοράς) και του θαλάμου (που μεταβιβάζει τις αισθητηριακές πληροφορίες στον φλοιό).
Τεχνητή νοημοσύνη
Και δεν είναι μόνο οι ψυχίατροι που εμπλουτίζουν ή εγκαταλείπουν παλιές θεωρίες χάρη στις πρόσφατες ανακαλύψεις. Οι επιστήμονες Πληροφορικής ενημερώνονται με το ίδιο ενδιαφέρον, καθώς τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα βασίζονται σε ένα πρώιμο μοντέλο του τρόπου λειτουργίας των νευρώνων και, παρότι μεταγενέστερες έρευνες έδειξαν ότι αυτό ήταν απλοϊκό, η οργάνωση αυτών των δικτύων σε διασυνδεδεμένα στρώματα αναλόγων νευρώνων αντικατοπτρίζει την οργάνωση του εγκεφαλικού φλοιού.
Δεν προκαλεί επομένως έκπληξη που ορισμένοι ερευνητές της επιστήμης της Πληροφορικής προσπάθησαν να προσθέσουν τεχνητά μικρογλοία και αστροκύτταρα στα δίκτυα για να ελέγξουν αν βελτιώνεται η απόδοσή τους. Και πράγματι βελτιώνεται.
Αρκετές επιστημονικές ομάδες ανακάλυψαν, ανεξάρτητα η μία από την άλλη, ότι η απαλλαγή από τις σπάνια χρησιμοποιούμενες συνάψεις (σ.σ.: η δουλειά των μικρογλοίων στον εγκέφαλο) βοηθά τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα να κωδικοποιούν νέες πληροφορίες και να αποθηκεύουν δεδομένα στη μνήμη. Η εξεύρεση τρόπων για να γίνουν τα νευρωνικά δίκτυα λιγότερο πυκνά, θεωρείται πλέον ένας σημαντικός τομέας.
Πειραματίζονται επίσης με τεχνητά αστροκύτταρα, που μιμούνται τις τριμερείς συνάψεις, για την ενίσχυση και την αποδυνάμωσή τους ανάλογα με τον ρυθμό που πυροδοτούνται αυτές οι συνάψεις σε βάθος χρόνου. Σε σύγκριση με τα συμβατικά δίκτυα, αυτά τα δίκτυα φαίνεται πως αποδίδουν σταθερά καλύτερα. Οπως συμβαίνει με πολλά πράγματα στην ανθρώπινη μηχανική, η φύση φαίνεται πως το «εφηύρε πρώτη.»